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東北大学 2003年度 後期日程 第2次学力試験理系(後期)数学 第1問

(1) 正の整数nに対して,f(x)=(exex)nとする.f(0)を求めよ.

(2) 次を示せ.ただし,nCk=n!k!(nk)!とする.k=0nnCk(1)k(n2k)={2(n=1のとき)0(n2のとき)

難易度5/ 10計算量4/ 10目安15

指数・対数場合の数 二項定理、式変形

方針

(1)n=1n2(exex)n1x=0 における値が変わることに注意して微分する。(2)は (exex)n を二項定理で展開し、微分して x=0 を代入する。指数関数を使わない確認として、(1x)n の微分から同じ和を読む方法もある。

解答

(1) n=1 のとき f(x)=exex だから f(x)=ex+ex,f(0)=2 である。 n2 のときは f(x)=n(exex)n1(ex+ex) である。x=0 では e0e0=0 であり、n11 だから f(0)=0 である。したがってf(0)={2(n=1),0(n2)である。

(2)
二項定理より(exex)n=k=0nnCk(ex)nk(ex)k=k=0nnCk(1)ke(n2k)xである。両辺を x で微分するとf(x)=k=0nnCk(1)k(n2k)e(n2k)xである。ここで x=0 を代入するとf(0)=k=0nnCk(1)k(n2k)となる。これと(1)の結果を比べてk=0nnCk(1)k(n2k)={2(n=1),0(n2)を得る。

微分値と二項和

別解

解法2

方針

(1)exex=2x+O(x3) の一次項を見る。(2)は二項係数の二つの基本和を (1z)n とその導関数から求め、指数関数を使わずに整理する。

解答

(1) exex=2x+O(x3)だから(exex)n=2nxn+O(xn+2).したがって一次の係数、すなわち f(0)f(0)={2(n=1),0(n2).(2)H(z)=(1z)n=k=0nnCk(1)kzkとおく。求める和を Sn とすればSn=nk=0nnCk(1)k2k=0nknCk(1)k=nH(1)2H(1).n2 ではH(1)=0,H(1)=n(11)n1=0だから Sn=0n=1 では直接S1=1+1=2.よって指定された等式が成り立つ。

総評

(1) がそのまま(2)の評価になる、誘導の意図がはっきりした問題である。目安時間は15〜20分。答案では n=1n2 の分岐を省かないこと、二項展開後の指数が (n2k)x になることを正確に書くことが重要である。別解の (1x)n を使う方法でも示せるが、本問では(1)を活用する解法が最も自然で、採点者にも流れが伝わりやすい。

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出典: 東北大学 2003年度 後期 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。