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1 − 2z − z2+ z3 where x1:= sin(4π/7) sin(π/7

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Academic year: 2021

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Problem 12117

(American Mathematical Monthly, Vol.126, May 2019) Proposed by M. Bataille (France).

Letn be a nonnegative integer. Prove that sinn+1(4π/7)

sinn+2(π/7) −

sinn+1(π/7)

sinn+2(2π/7)+ (−1)nsinn+1(2π/7) sinn+2(4π/7) is equal to

2√

7X(i + j + k)!

i!j!k! (−1)n−i2i

where the sum is taken over all triples(i, j, k) of nonnegative integers satisfying i + 2j + 3k = n.

Solution proposed by Roberto Tauraso, Dipartimento di Matematica, Universit`a di Roma “Tor Vergata”, via della Ricerca Scientifica, 00133 Roma, Italy.

Solution. Let ω := exp(2πi/7), then it is easy to verify that

(1 − x1z)(1 − x2z)(1 − x3z) = 1 − 2z − z2+ z3 where

x1:= sin(4π/7)

sin(π/7) = sin(4π/7)

sin(6π/7)= ω2− ω−2 ω3− ω−3

= 1 + ω + ω−1,

x2:= sin(π/7)

sin(2π/7)= sin(6π/7)

sin(2π/7)= ω3− ω

−3

ω − ω−1 = 1 + ω2+ ω−2, x3:= −sin(2π/7)

sin(4π/7) = ω − ω−1 ω2− ω−2

= 1 + ω3+ ω−3.

Hence, by the partial fraction decomposition, 1

1 − 2z − z2+ z3 = A1

1 − x1z+ A2

1 − x2z + A3

1 − x3z, where

A1:= 1

(1 −xx21)(1 − xx31) = x21

2√

7 sin(4π/7),

A2:= 1

(1 −xx12)(1 − xx32) = − x22

2√

7 sin(π/7),

A3:= 1

(1 −xx13)(1 − xx23) = x23

2√

7 sin(2π/7). Finally

X

i+2j+3k=n

(i + j + k)!

i!j!k! (−1)n−i2i= [zn]

X

m=0

(2z + z2− z

3)m

= [zn] 1 1 − 2z − z2+ z3

= [zn]

 A1

1 − x1z+ A2

1 − x2z + A3

1 − x3z



= A1xn1+ A2xn2+ A3xn3

= 1 2√

7

 sinn+1(4π/7) sinn+2(π/7) −

sinn+1(π/7)

sinn+2(2π/7)+ (−1)nsinn+1(2π/7) sinn+2(4π/7)



and we are done. 

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