2020 AMC 12A 第 22 题

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22.

设

(a_n)

和

(b_n)

为实数序列，使得对所有整数

n \ge 0

都有

(2 + i)^n = a_n + b_n i\text{，}

其中

i = \sqrt{-1}

。求

\sum_{n=0}^{\infty} \frac{a_n b_n}{7^n}\text{？}

Let

(a_n)

and

(b_n)

be the sequences of real numbers such that

(2 + i)^n = a_n + b_n i

for all integers

n \ge 0,

where

i = \sqrt{-1}.

What is

\sum_{n=0}^{\infty} \frac{a_n b_n}{7^n}?

\dfrac{3}{8}

\dfrac{7}{16}

\dfrac{1}{2}

\dfrac{9}{16}

\dfrac{4}{7}

答案：B

知识点：复数求和

难度评级：2110

小提示：

a_n b_n

= \tfrac12 \operatorname{Im}\big((a_n + b_n i)^2\big)

= \tfrac12 \operatorname{Im}\big((2 + i)^{2n}\big)

大提示：

因为

(2 + i)^2 = 3 + 4i

，该和变成公比为

\dfrac{3 + 4i}{7}

的等比级数

Since

(2 + i)^2 = 3 + 4i,

the sum becomes a geometric series with ratio

\dfrac{3 + 4i}{7}

解答：

因为

(a_n + b_n i)^2 = a_n^2 - b_n^2 + 2 a_n b_n i

，所以

a_n b_n

= \tfrac12 \operatorname{Im}\big((2 + i)^{2n}\big)

= \tfrac12 \operatorname{Im}\big((3 + 4i)^n\big)

。

因此所求和为

\tfrac12 \operatorname{Im} \displaystyle\sum_{n=0}^{\infty} \left(\frac{3 + 4i}{7}\right)^n

= \tfrac12 \operatorname{Im}\!\left(\frac{1}{1 - \frac{3 + 4i}{7}}\right)

。

它等于

\tfrac12 \operatorname{Im}\!\left(\dfrac{7}{4 - 4i}\right)

= \tfrac12 \operatorname{Im}\!\left(\dfrac{7(4 + 4i)}{32}\right)

= \tfrac12 \cdot \dfrac{28}{32}

= \dfrac{7}{16}

。

因此，正确答案是 B。

Since

(a_n + b_n i)^2 = a_n^2 - b_n^2 + 2 a_n b_n i,

we have

a_n b_n

= \tfrac12 \operatorname{Im}\big((2 + i)^{2n}\big)

= \tfrac12 \operatorname{Im}\big((3 + 4i)^n\big).

Therefore the sum is

\tfrac12 \operatorname{Im} \displaystyle\sum_{n=0}^{\infty} \left(\frac{3 + 4i}{7}\right)^n

= \tfrac12 \operatorname{Im}\!\left(\frac{1}{1 - \frac{3 + 4i}{7}}\right).

This equals

\tfrac12 \operatorname{Im}\!\left(\dfrac{7}{4 - 4i}\right)

= \tfrac12 \operatorname{Im}\!\left(\dfrac{7(4 + 4i)}{32}\right)

= \tfrac12 \cdot \dfrac{28}{32}

= \dfrac{7}{16}.

Thus, B is the correct answer.

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