極値をとる点の y 座標の和(無限級数)(B)
★★★☆☆☆☆(共通テスト) / 作成者: shonan / 2026/10/26
🔁 類題: 極値をとる点の y 座標の和(無限級数)(A) (★★★☆☆☆☆(共通テスト))
問題
関数 $f(x)=e^{-x}\cos x\ (x>0)$ が極値をとる $x$ の値を小さい順に $x_0,\ x_1,\ x_2,\ \cdots$ とする.
\begin{enumerate}
\item[(1)] $x_n$ と $f(x_n)$ を $n$ の式で表せ.
\item[(2)] $\displaystyle\sum_{n=0}^{\infty}f(x_n)$ を求めよ.
\end{enumerate}
(1) $f'(x)=-e^{-x}\cos x-e^{-x}\sin x=-\sqrt{2}\,e^{-x}\sin\left(x+\dfrac{\pi}{4}\right)$
$x>0$ で $f'(x)=0$ となるのは $x+\dfrac{\pi}{4}=k\pi\ (k=1,\,2,\,\cdots)$ のときで,前後で符号が変わる.よって
\[ x_n=\frac{3}{4}\pi+n\pi\quad(n=0,\,1,\,2,\,\cdots) \]
$\cos x_n=\cos\left(\dfrac{3}{4}\pi+n\pi\right)=(-1)^{n+1}\dfrac{\sqrt{2}}{2}$ であるから
\[ f(x_n)=(-1)^{n+1}\frac{\sqrt{2}}{2}e^{-\frac{3}{4}\pi}e^{-n\pi} \]
(2) 初項 $-\dfrac{\sqrt{2}}{2}e^{-\frac{3}{4}\pi}$,公比 $-e^{-\pi}$($|-e^{-\pi}|<1$)の無限等比級数であるから
\[ \sum_{n=0}^{\infty}f(x_n)=\frac{-\dfrac{\sqrt{2}}{2}e^{-\frac{3}{4}\pi}}{1+e^{-\pi}}=-\frac{\sqrt{2}\,e^{\frac{\pi}{4}}}{2(e^{\pi}+1)} \]
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