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東北大学 1989年度 前期日程 第2次学力試験文系数学 第3問

数列{an}がa1=2,a2=0,
an+2−2an+1+an=2n−8 (n=1, 2, 3, ⋯⋯ )
で定義されているとする.

(1) 一般項anを求めよ.

(2) anが最小となるn,および,その最小値anを求めよ.

難易度5/ 10計算量6/ 10目安15分

数列 階差数列、計算整理

方針

2階差の漸化式なので、まず bn=an+1−an とおいて1階差へ下げる。bn を和で求め、もう一度和を取って an を得る。最小値は an+1−an の符号変化から判定する。

解答

(1) bn=an+1−anとおく。与えられた漸化式はbn+1−bn=2n−8となる。また b1=a2−a1=−2 である。したがってbn=−2+∑k=1n−1(2k−8)=−2+n(n−1)−8(n−1)=n2−9n+6.よってan=a1+∑k=1n−1bk=2+∑k=1n−1(k2−9k+6)=n3−15n2+32n−123=(n−2)(n2−13n+6)3.(2) 増減はan+1−an=bn=n2−9n+6の符号で決まる。この2次式の2解は9−572,9+572であり0<9−572<1,8<9+572<9.したがって bn<0 は 1≦n≦8、bn>0 は n≧9 で成り立つ。つまり an は a9 まで減少し、その後増加する。よって最小となるのは n=9 で、a9=(9−2)(92−13⋅9+6)3=−70.

別解

解法2:3次式を仮定して係数を決める

方針

2階差が1次式なので、一般項は3次式と予想できる。an=An3+Bn2+Cn+D を代入して係数を比較し、初期条件で残りを決める。最小値は得られた式の隣接差を因数の符号で調べる。

解答

(1) 3次式an=An3+Bn2+Cn+Dを仮定する。n3 の2階差は 6n+6、n2 の2階差は2だからan+2−2an+1+an=6An+(6A+2B).これが 2n−8 に等しいことからA=13,B=−5.よってan=13n3−5n2+Cn+D.a1=2, a2=0 を代入するとC+D=203,2C+D=523,したがって C=32/3, D=−4 である。ゆえにan=n3−15n2+32n−123=(n−2)(n2−13n+6)3.(2) 隣接差はan+1−an=n2−9n+6.直接 n=8,9 の前後を調べるとb8=−2<0,b9=6>0であり、上に開く2次式の2解が0と1の間、8と9の間にあるため、この1か所だけで符号が負から正へ変わる。したがって最小項は第9項でa9=−70である。

総評

難度は10段階中5、計算量は10段階中6。2階差を1階差へ下げるのが標準的で、和を2回取ると3次式になる。最小値は3次式を実数関数として微分するのではなく、整数列の隣接差 an+1−an の符号で判定するのが確実である。和の添字と、最小項が a8 か a9 かを取り違えないようにしたい。目安時間は15分。

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出典: 東北大学 1989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。