方針
絶対値の和は、点 3 , 3 2 , … , 3 2 n 3 , 3 2 , … , 3 2 n からの距離の和である。偶数個の点に対する距離和は中央の2点の間で最小になることを、左右の点数または対にして確認する。(2) は 3 n ≦ x ≦ 3 n + 1 3 n ≦ x ≦ 3 n + 1 で左に n n 個、右に n n 個あることを使い、x x の項が消える形で等比数列の和を計算する。
解答
(1) 3 < 3 2 < ⋯ < 3 2 n 3 < 3 2 < ⋯ < 3 2 n であり、f ( x ) f ( x ) はこれら 2 n 2 n 個の点から x x までの距離の和である。 x x が区間 3 j < x < 3 j + 1 3 j < x < 3 j + 1 にあるとき、左側にある点の個数を j j 、右側にある点の個数を 2 n − j 2 n − j と見ると、x x を少し右に動かしたとき、左側の距離は j j 個増え、右側の距離は 2 n − j 2 n − j 個減る。したがって j < n j < n では右に動かすと f ( x ) f ( x ) は減少し、j > n j > n では右に動かすと f ( x ) f ( x ) は増加する。 中央である 3 n ≦ x ≦ 3 n + 1 3 n ≦ x ≦ 3 n + 1 では、左側と右側の個数がどちらも n n 個になるため、距離和は一定で最小となる。
よって、f ( x ) f ( x ) の値を最小にする x x の集合は [ 3 n , 3 n + 1 ] [ 3 n , 3 n + 1 ] である。
(2) 3 n ≦ x ≦ 3 n + 1 3 n ≦ x ≦ 3 n + 1 とする。このとき f ( x ) = ∑ k = 1 n ( x − 3 k ) + ∑ k = n + 1 2 n ( 3 k − x ) f ( x ) = k = 1 ∑ n ( x − 3 k ) + k = n + 1 ∑ 2 n ( 3 k − x ) である。左側、右側ともに n n 個ずつあるので、x x の項は打ち消し合い、a n = ∑ k = n + 1 2 n 3 k − ∑ k = 1 n 3 k a n = k = n + 1 ∑ 2 n 3 k − k = 1 ∑ n 3 k となる。 等比数列の和を用いると∑ k = n + 1 2 n 3 k = 3 2 n + 1 − 3 n + 1 2 , ∑ k = 1 n 3 k = 3 n + 1 − 3 2 k = n + 1 ∑ 2 n 3 k = 2 3 2 n + 1 − 3 n + 1 , k = 1 ∑ n 3 k = 2 3 n + 1 − 3 である。したがって a n = 3 2 n + 1 − 2 ⋅ 3 n + 1 + 3 2 a n = 2 3 2 n + 1 − 2 ⋅ 3 n + 1 + 3 である。
また 9 n = 3 2 n 9 n = 3 2 n だからa n 9 n = 3 2 − 3 n + 1 3 2 n + 3 2 ⋅ 3 2 n 9 n a n = 2 3 − 3 2 n 3 n + 1 + 2 ⋅ 3 2 n 3 である。右辺の第2項、第3項は n → ∞ n → ∞ で 0 0 に近づくので lim n → ∞ a n 9 n = 3 2 n → ∞ lim 9 n a n = 2 3 である。
左右の項を対にすると、中央区間では各対の距離和が一定になる
別解 解法2
方針
(1) 中央の2点をはさむ区間で、左から k k 番目と右から k k 番目を対にする。各対までの距離和が x x によらず一定になることを示す。区間の外では少なくとも一対の和が増える。(2) 対ごとの差を等比数列として合計し、極限を取る。
解答
(1) 3 n ≦ x ≦ 3 n + 1 3 n ≦ x ≦ 3 n + 1 とする。k = 1 , … , n k = 1 , … , n に対し、点 3 k 3 k と点 3 2 n + 1 − k 3 2 n + 1 − k を対にする。このとき3 k ≦ x ≦ 3 2 n + 1 − k 3 k ≦ x ≦ 3 2 n + 1 − k だから、この対からの距離の和は( x − 3 k ) + ( 3 2 n + 1 − k − x ) = 3 2 n + 1 − k − 3 k ( x − 3 k ) + ( 3 2 n + 1 − k − x ) = 3 2 n + 1 − k − 3 k となり、x x によらない。全ての対について同じなので、中央区間では f ( x ) f ( x ) は一定である。
x < 3 n x < 3 n から右へ動かすと右側の点の方が多いため距離和は減り、x > 3 n + 1 x > 3 n + 1 では右へ動かすと距離和は増える。したがって最小となる集合は[ 3 n , 3 n + 1 ] [ 3 n , 3 n + 1 ] である。
(2) 上の対の和を合計するとa n = ∑ k = 1 n ( 3 2 n + 1 − k − 3 k ) = ∑ j = n + 1 2 n 3 j − ∑ k = 1 n 3 k = 3 2 n + 1 − 2 ⋅ 3 n + 1 + 3 2 . a n = k = 1 ∑ n ( 3 2 n + 1 − k − 3 k ) = j = n + 1 ∑ 2 n 3 j − k = 1 ∑ n 3 k = 2 3 2 n + 1 − 2 ⋅ 3 n + 1 + 3 . したがってa n 9 n = 3 2 − 3 1 − n + 3 2 ⋅ 9 n ⟶ 3 2 . 9 n a n = 2 3 − 3 1 − n + 2 ⋅ 9 n 3 ⟶ 2 3 . よって極限値は 3 / 2 3/2 である。
総評
絶対値の和の最小化と等比数列の和を組み合わせる問題。目安時間は18分。偶数個の点に対する距離和は中央2点の間で最小になる、という基本性質を明確に使うと (1) は短い。(2) は最小区間内で左に n n 個、右に n n 個あるため、x x が消えることを確認してから和を計算する。 2つの解法と解説図を相互に照合し、境界値・必要十分性・符号も確認した。
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東北大の関数の問題
出典: 東北大学 1984年度 前期 数学。問題文はHTML表示のために再入力・数式組版しています。