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広島大学 2017年度 前期理系数学 第1問

数列{an}
a1=tanπ3, an+1=anan2+1+1 (n=1,2,3,)
により定める.次の問いに答えよ.
(1) a2=tanπ6, a3=tanπ12であることを示せ.
(2) 一般項anを表すnの式を推定し,それが正しいことを数学的帰納法により証明せよ.
(3) limn2nanを求めよ.

難易度5/ 10計算量4/ 10目安12

数列三角関数 三角比の利用数学的帰納法極限計算

方針

漸化式の形を正接の半角公式として読む。an=tanαnとみるとan+1=tan(αn/2)になるため,一般項をtanπ32n1と推定する。極限はx0tanxx1を用いる。

解答

(1) a1=tanπ3=3であるからa2=33+1+1=33=tanπ6である。またa3=1/31/3+1+1=12+3=23=tanπ12である。

(2)
(1)からan=tanπ32n1と推定される。これを数学的帰納法で示す。n=1では成り立つ。an=tanαα=π32n1とすると,0<απ3であるからcosα>0でありan2+1=tan2α+1=1cosαである。したがってan+1=tanα1cosα+1=sinα1+cosα=tanα2=tanπ32nとなる。よってすべての自然数nについてan=tanπ32n1である。

(3) xn=π32n1とおくと,xn0かつ2nxn=2π3である。(2)より2nan=2ntanxn=2π3tanxnxnである。limx0tanxx=1よりlimn2nan=2π3である。

別解

解法2

方針

漸化式を有理化して (1+an21)/an とし,正接の半角公式へ直接対応させる。

解答

(1) a1=3 からa2=13=tanπ6,a3=23=tanπ12.(2) 分母を有理化するとan+1=1+an21an.an=tanαn とおけば右辺は1cosαnsinαn=tanαn2.よって帰納的にan=tanπ32n1.(3) xn=π/(32n1) とすれば2nan=2π3tanxnxn2π3.

総評

難度5,計算量4。想定時間は12分程度。漸化式を正接の半角公式と見抜けるかが中心である。帰納法ではcosα>0を確認して平方根を外すこと,極限では角が0に近づくことを明示すると答案が安定する。

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出典: 広島大学 2017年度 前期 数学(大学公式の問題PDF)。問題文はHTML表示のために再入力・数式組版しています。