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東北大学 1997年度 前期日程 第2次学力試験 数列・方程式・不等式文系数学 第4問b

(1) 2次方程式x2+ax+b=0が相異なる2つの解α,βをもつとき,定数p,qに対しx0=p+q,xn=pαn+qβn(n=1, 2, 3, …)とおく.このとき次の等式が成り立つことを示せ.xn+2+axn+1+bxn=0(n=0, 1, 2, …)(2)  x0=2,x1=3,xn+2=xn+1+xn (n=0, 1, 2, …)で与えられる数列の一般項はxn=2+55(1+52)n+−2+55(1−52)nで与えられることを示せ.

難易度5/ 10計算量4/ 10目安16分

数列、方程式・不等式 特性方程式、漸化式の変形、恒等式比較

方針

(1) はα,βが方程式の解であることを、αn,βnを掛けて利用する。(2)は漸化式の特性方程式r2−r−1=0を作り、(1)の形に合わせて一般項を置く。初期条件x0=2,x1=3から係数を決める。

解答

(1) α,βはx2+ax+b=0の解であるから α2+aα+b=0,β2+aβ+b=0 を満たす。これらにそれぞれαn,βnを掛けるとαn+2+aαn+1+bαn=0,βn+2+aβn+1+bβn=0である。第1式にp、第2式にqを掛けて加えれば xn+2+axn+1+bxn=0 を得る。

(2)
漸化式は xn+2−xn+1−xn=0 であるから、特性方程式は r2−r−1=0 である。その2解を α=1+52,β=1−52 とする。(1)より xn=pαn+qβn とおける。

初期条件から p+q=2,pα+qβ=3 である。q=2−pを第2式に代入して p(α−β)+2β=3 を得る。α−β=5, 2β=1−5より p=3−(1−5)5=2+55 である。したがって q=2−p=−2+55 となる。よってxn=2+55(1+52)n+−2+55(1−52)nである。

別解

解法2

方針

(1) は α,β の満たす方程式を線形結合する。(2)は提示された式を yn と置き、初期値2個と漸化式を満たすことから数列の一意性で証明する。

解答

(1) α2+aα+b=0,β2+aβ+b=0にそれぞれ pαn,qβn を掛けて加えるとpαn+2+qβn+2+a(pαn+1+qβn+1)+b(pαn+qβn)=0.これはxn+2+axn+1+bxn=0である。

(2) α=1+52,β=1−52,p=2+55,q=−2+55とし、yn=pαn+qβn とおく。α,β はr2−r−1=0の解だから、(1)によりyn+2=yn+1+yn.またy0=p+q=2,y1=pα+qβ=3.したがって yn と与えられた xn は同じ初期値と漸化式を持つ。順次一意に定まるので xn=yn であり、提示された一般項が成り立つ。

総評

難度5、計算量4。目安時間は16分。前半の一般論を後半にそのまま使う構成であり、特性方程式型の漸化式を丁寧に処理できるかが問われる。係数p,qの計算ではα−β=5を使うと整理しやすい。別解のように、与えられた式が初期条件と漸化式を満たすことを確認して示すこともできる。

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出典: 東北大学 1997年度 前期 文系 第4問。問題文はHTML表示のために再入力・数式組版しています。