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東北大学 1998年度 前期日程 第2次学力試験 数列文系数学 第4問(b)

実数の数列{an}a3n=an,an+5=an,a1+a2+a3+a4+a5=4,a1a3a5=8を満たすとき,

(1) a1a5の値を求めよ.
(2) 数列の和a1+a2++anを求めよ.

難易度5/ 10計算量4/ 10目安12

数列 剰余分類、式変形、場合分け

方針

an+5=an から数列は周期5で決まる。さらに a3n=an を5で割った余りに注目して使うと,余り 1,2,3,4 に対応する項がすべて等しいことが分かる。これを x,余り0の項を y と置き,和と積の条件から x,y を決定する。最後は周期5の和として部分和を表す。

解答

(1) 3は5を法として巡回するので a1=a3=a4=a2 である。これをxとし、a5=yとおくと 4x+y=4,x2y=8 である。これを解くと x=1,y=8 である。したがって a1=1,a5=8 である。

(2)
数列は周期5で 1,1,1,1,8 を繰り返す。n=5q+r (0r4)と書くと、1周期の和は4であり、余りの部分はrである。よって a1+a2++an=4qr である。 3 を5で割った余りで掛けていくと 13421 と循環する。したがって a1=a3=a4=a2 である。この共通値を xa5y とすれば 4x+y=4,x2y=8 である。y=44x を代入すると x2(44x)=8 すなわち x3x2+2=0. これは (x+1)(x22x+2)=0 で,実数解は x=1 だけである。よって y=8 である。

部分和では,1周期 1,1,1,1,8 の和が 4 である。n=5q+r(0r4) と書けば,余り部分は 1r 個なので j=1naj=4qr となる。

別解

解法2

方針

添字条件へ小さいnを順に代入して第1~4項が等しいことを直接示す。周期5を使って2未知数へ落とし、部分和は商と余りで表す。

解答

(1)

a3n=an と周期5を組み合わせる。まずa3=a1.また a6=a2 である一方、周期5より a6=a1 だから a2=a1 である。さらに a9=a3 であり、周期5より a9=a4 だから a4=a1 である。a1=a2=a3=a4=x,a5=yと置くと4x+y=4,x2y=8.y=44x を代入して(x+1)(x22x+2)=0.実数解は x=1 だけなので y=8 である。よってa1=1,a5=8.(2)

数列は1,1,1,1,8を周期5で繰り返す。n=5q+r (0r4) と書けば、1周期の和は4、余り部分の和は r だからj=1naj=4qr.

総評

周期5と添字3倍の条件を,5を法とする余りの循環として読む問題である。所要時間は12分程度。1,2,3,4 番目が同じ値になり,5番目だけ別値になる構造を最初に見抜くと,あとは二つの未知数だけで処理できる。部分和では n=5q+r の余り部分がすべて 1 であることを明記するとよい。

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出典: 東北大学 1998年度 前期 文系 第4問(b)。問題文はHTML表示のために再入力・数式組版しています。