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東北大学 1999年度 後期日程 第2次学力試験理系(後期)数学 第1問

数列{an}がa1=1,an+1=2n2n+3an(n=1, 2, 3, ⋯⋯ )によって定義されている.
数列{bn}が,ある定数cによりbn=(n+c)anで定義され,bn+1−bn=panをみたすとする.

(1) 定数c,pの値を求めよ.
(2) bn+1bnをnを用いて表せ.
(3) bn≦32nであることを証明せよ.
(4) Sn=a1+a2+⋯⋯+anとするとき,lim⁡n→∞Snを求めよ.

難易度6/ 10計算量5/ 10目安18分

数列 漸化式の変形、数学的帰納法、はさみうち

方針

まず bn=(n+c)an を漸化式に代入し、bn+1−bn が an の定数倍になるように c を決める。(2)では決まった bn の比を直接計算する。(3)は bn+1/bn=2n/(2n+1) を n/(n+1) で上から評価し、積をとって示す。(4)は(1)の階差式 bn+1−bn=−an/2 を和にして Sn=2(b1−bn+1) とし、(3)から bn→0 を使う。

解答

(1) bn=(n+c)an であり、an+1=2n2n+3an だからbn+1−bn=(n+1+c)an+1−(n+c)an=(n+1+c)2n2n+3an−(n+c)an=2n(n+1+c)−(n+c)(2n+3)2n+3an=−n+3c2n+3an.これがすべての n で pan に等しいためには n+3c2n+3 が n によらない定数でなければならない。そこで n+3c=λ(2n+3) とおくと、係数比較より 1=2λ,3c=3λ である。したがって λ=12,c=12 である。このとき bn+1−bn=−12an だから c=12,p=−12 である。

(2) bn=(n+12)an であるからbn+1bn=n+32n+12⋅an+1an=n+32n+12⋅2n2n+3=2n+32n+1⋅2n2n+3=2n2n+1.(3) b1=(1+1/2)a1=3/2 である。また(2)より bn+1bn=2n2n+1 である。ここで (2n2n+1)2≦nn+1 を確認する。両辺は正であり、両辺に (2n+1)2(n+1) を掛けると 4n2(n+1)≦n(2n+1)2 すなわち 4n3+4n2≦4n3+4n2+n となり、これは明らかに成り立つ。したがって bn+1bn≦nn+1 である。

これを 1,2,…,n−1 について掛けるとbnb1≦1223⋯n−1n=1nである。よって bn≦32n が成り立つ。

(4)
(1)より bn+1−bn=−12an である。したがって an=2(bn−bn+1) であり、和をとるとSn=a1+a2+⋯+an=2{(b1−b2)+(b2−b3)+⋯+(bn−bn+1)}=2(b1−bn+1).(3)より 0<bn+1≦32n+1→0 であるからlim⁡n→∞Sn=2b1=2⋅32=3である。

別解

解法2

方針

まず bn の比を求め、nbn2 が減少することを直接示す。和は階差を使って望遠和にする。

解答

(1) bn+1−bn={2n(n+1+c)2n+3−(n+c)}an.分子の n の係数が消える条件からc=12,p=−12.(2)bn+1bn=n+3/2n+1/22n2n+3=2n2n+1.(3)(n+1)bn+12nbn2=4n(n+1)(2n+1)2<1.したがって nbn2≦b12=9/4。bn>0 よりbn≦32n.(4)

(1) から an=2(bn−bn+1)。よってSn=2(b1−bn+1).(3)より bn+1→0 なのでlim⁡n→∞Sn=2b1=3.

総評

補助数列をうまく選んで階差和にする誘導問題である。目安時間は18分程度。(1)で c を決める計算が全体の入口で、bn+1−bn の係数が n に依存しないという条件を係数比較に直せばよい。(3)は比の評価を積み重ねる典型で、平方して確認すると安全である。(4)は an=2(bn−bn+1) と見抜けば望ましい形に望遠和が消える。

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出典: 東北大学 1999年度 後期 理系 第1問。問題文はHTML表示のために再入力・数式組版しています。