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東北大学 1982年度 前期日程 第2次学力試験理系数学 第2問

初項7、公差2の等差数列の一般項を an とし、初項 1/3、公比 1/3 の等比数列の一般項を bn とする。数列 {cn} についてk=1nakbkck=13(n+1)(n+2)(n+3)が成り立つとき、次の問いに答えよ。

(1) 一般項 cn を求めよ。

(2) 無限級数n=11cnの和を求めよ。

難易度5/ 10計算量4/ 10目安15

数列 階差数列、部分分数分解、和の計算

方針

与えられた和を Sn と置き、階差 SnSn1 がちょうど anbncn になることを利用して cn を求める。後半は 1cn を部分分数分解するが、対数級数を使う必要はなく、13n1(n+1)13n(n+2) という差に直すとそのまま消去和になる。

解答

(1)

等差数列 {an} は初項7、公差2であるから an=7+2(n1)=2n+5. 等比数列 {bn} は初項 13、公比 13 であるから bn=(13)n=3n. 与えられた等式の右辺を Sn=13(n+1)(n+2)(n+3) とおく。このとき k=1nakbkck=Sn であるから、n2 では anbncn=SnSn1 となる。右辺を計算すると SnSn1=13{(n+1)(n+2)(n+3)n(n+1)(n+2)} =13(n+1)(n+2){(n+3)n}=(n+1)(n+2). n=1 でも同じ式が成り立つ。したがって (2n+5)3ncn=(n+1)(n+2) であり、cn=3n(n+1)(n+2)2n+5. (2)

(1) より 1cn=2n+53n(n+1)(n+2). ここで 2n+5(n+1)(n+2)=3n+11n+2 である。よって 1cn=(3n+11n+2)13n. 右辺は 13n1(n+1)13n(n+2) と書ける。

したがって第 N 項までの和はn=1N1cn=n=1N{13n1(n+1)13n(n+2)}.これは途中の項が順に消えて n=1N1cn=1213N(N+2) となる。N とすると 13N(N+2)0 であるから n=11cn=12.

別解

解法2(積分表示で級数を足す)

方針

一般項は部分和の階差から求める。(2)では消去和を使わず、分母 n+r の逆数の定積分表示と等比級数を組み合わせ、無限和全体を1本の定積分へ変える。

解答

(1)
右辺を Sn とおくとanbncn=SnSn1=(n+1)(n+2).また an=2n+5bn=3n だからcn=3n(n+1)(n+2)2n+5.(2)
まず1cn=13n(3n+11n+2).ここで1n+1=01xndx,1n+2=01xn+1dxを用いる。0x1 では等比級数が収束するのでn=11cn=01(3x)n=1(x3)ndx=01(3x)x3xdx=01xdx=12.

総評

難度は10段階で5、計算量は10段階で4程度。試験場ではおよそ26分を見込む。前半は和の式から一般項を取り出す典型問題で、SnSn1 を使う判断がすべてである。後半は見た目よりも簡単で、1cn が消去和になるように分解できる。対数を含む級数公式へ進むより、有限和で 1213N(N+2) まで出す方が高校数学の答案として自然で、計算ミスも少ない。

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出典: 東北大学 1982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。