Evolton

広島大学 2020年度 前期文系数学 第4問

数列 {an} を次の条件により定める。

(i) a1=1 である。

(ii) n=1,2,3,… に対し、n が奇数ならば an+1=−an+1、n が偶数ならば an+1=−2an+3 である。

さらに、数列 {bn}、{cn} をbn=a2n−1,cn=a2nにより定める。次の問いに答えよ。

(1) a2,a3,a4,a5 を求めよ。

(2) 数列 {bn}、{cn} の一般項をそれぞれ求めよ。

(3) 自然数 m に対して、数列 {an} の初項から第 (2m−1) 項までの和を Tm とする。Tm を m を用いて表せ。

難易度4/ 10計算量4/ 10目安12分

数列 漸化式の変形、階差数列、和の計算、対称性の利用

方針

奇数番目と偶数番目を bn,cn に分け、cn=1−bn を次の式へ代入して bn+1=2bn+1 を作る。bn+1 を等比数列に直し、最後は奇数項と偶数項を別々に和をとる。

解答

(1)

定義からa2=0,a3=3,a4=−2,a5=7.(2)cn=−bn+1であり、さらにbn+1=−2cn+3=2bn+1.したがってbn+1+1=2(bn+1).b1+1=2 だからbn+1=2n.よってbn=2n−1,cn=2−2n.(3)

第 (2m−1) 項までには奇数項が m 個、偶数項が m−1 個ある。したがってTm=∑k=1mbk+∑k=1m−1ck.ここで∑k=1m(2k−1)=2m+1−2−mかつ∑k=1m−1(2−2k)=2m−2m.ゆえにTm=2m+m−2.

別解

解法2(隣り合う奇数項と偶数項を組にする)

方針

まず bn の一般項を求める。和については bk+ck=1 という各組の単純な関係を使い、m−1 組と最後の奇数項 bm に分けて一度に求める。

解答

(1)

漸化式を順に適用して(a2,a3,a4,a5)=(0,3,−2,7).(2)

cn=1−bn だからbn+1=3−2cn=2bn+1.b1=1 よりbn=2n−1,cn=1−bn=2−2n.(3)

各 k についてbk+ck=(2k−1)+(2−2k)=1.したがって、第 (2m−1) 項までの和は、最初の m−1 組と最後の bm に分けてTm=∑k=1m−1(bk+ck)+bm=(m−1)+(2m−1)=2m+m−2.

総評

難度4、目安時間12分。偶奇で規則が変わる数列は、奇数項列と偶数項列へ分けると一次漸化式になる。和を個別に計算する標準解法に加え、bk+ck=1 と組にして処理すると添字のずれを見通しよく確認できる。

冊子PDFで見る広大の数列の問題で問題集を作る

出典: 広島大学 2020年度 一般入試(前期日程)(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。