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広島大学 2022年度 前期理系数学 第5問

次の問いに答えよ.
(1) 2(22)(22)2との大小を比較せよ.
(2) 関数f(x)f(x)=2xと定義し,座標平面上の曲線y=f(x)Cとする.C上の点(2,f(2))における接線の方程式を,実数m,kを用いてy=mx+kと表すとき,mkの値をそれぞれ求めよ.
(3) f(x)およびmkを(2)のように定める.すべての実数xに対してf(x)mx+kが成り立つことを示せ.
(4) 数列 {an}a1=2および漸化式an+1=2ann=1,2,3)により定義する.自然数nに対して
2an+1(log2)(2an)
が成り立つことを示し,極限値limnanを求めよ.必要ならば,自然対数の底がe=2.718であることを用いてよい.

難易度6/ 10計算量5/ 10目安18

指数・対数微分数列 接線・法線微分による最大最小不等式評価、はさみうち

方針

(1) は底2>1にそろえて指数を比較する。(2)(3)は接線を求め,差の関数の増減から接線が下にあることを示す。(4)は(3)をx=anに適用し,0<log2<1を使って2anをはさむ。

解答

(1) (22)2=(2)2=2である。また2<2で,底2は1より大きいから22<(2)2=2である。したがって2(22)<(2)2=2となる。よって2(22)<(22)2である。

(2) f(x)=log22(2)xである。f(2)=2より,接線の傾きはm=f(2)=log2である。接線が(2,2)を通るから2=2m+kであり,k=22log2である。

(3) h(x)=f(x){(log2)x+22log2}とおく。するとh(x)=log22f(x)log2=log2(f(x)21)である。f(x)は増加関数であり,f(2)=2であるから,h(x)<0x<2h(x)>0x>2で成り立つ。またh(2)=0である。したがってh(x)x=2で最小となり,h(2)=0である。よってすべての実数xについてf(x)(log2)x+22log2=mx+kである。

(4)
(3)をx=anに適用するとan+1=f(an)(log2)an+22log2である。したがって2an+1(log2)(2an)が成り立つ。

またa1=2<2であり,an<2ならan+1=(2)an<(2)2=2であるから,すべての自然数nについてan<2である。よって0<2an+1(log2)(2an)である。e>2より0<log2<1であるから0<2an(log2)n1(22)となる。右辺は0に収束するのでlimnan=2である。

別解

解法2(凸性と平均値の定理を使う方法)

方針

f(x)=(2)x の2階導関数が正であることから、グラフが
x=2 における接線以上にあることを示す。数列の収束は、平均値の定理で
誤差 2an が毎回 log2 倍未満になることを示す。

解答

(1)
1<2<2 だから22<22=2.2 は1より大きいので、指数を比べて2(22)<22=(22)2.(2)f(x)=log22(2)x,f(2)=2,f(2)=log2.よって接線 y=mx+km=log2,k=22log2.(3)f(x)=(log2)24(2)x>0だから f は狭義凸関数である。したがってグラフは各接線の上側にあり、
特に x=2 における接線についてf(x)(log2)x+22log2がすべての実数 x で成り立つ。

(4)
a1=2<2 であり、an<2 ならan+1=(2)an<(2)2=2.よって帰納的に an<2 である。平均値の定理により、
an<ξn<2 を満たす ξn が存在して2an+1=f(2)f(an)=f(ξn)(2an).f は増加し、e>2 より f(2)=log2<1 だから0<2an+1<(log2)(2an).繰り返すと0<2an<(log2)n1(22)0.はさみうちの原理よりlimnan=2.

総評

難度6,計算量5。想定時間は18分程度。接線を下からの評価として使う誘導問題である。(3)の増減確認を丁寧に書けば,(4)は差 2an の評価に直結する。0<log2<1を用いるため,最後に収束のはさみ方を明示することが重要である。 広島大学公式の問題・出題意図と独立解答を照合し、結論・設問番号・論理の流れを再確認した。

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出典: 広島大学 2022年度 前期 理系数学 第5問(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。