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東北大学 2006年度 後期日程 第2次学力試験理系(後期)数学 第2問

数列{an}に対して初項a1から第nanまでの和をSnとする.
pは定数とし,n=1,2,3,に対しSn=n3(2p+an)が満たされているものとし,bn=an+2an+1とおく.
a3=qとして以下の問に答えよ.

(1) b1b2b3pqを用いて表せ.

(2) 一般項bnpqnを用いて表せ.

(3) 一般項anpqnを用いて表せ.

難易度5/ 10計算量5/ 10目安24

数列 漸化式の変形、階差数列、和の計算

方針

まず n=1,2 から a1,a2 を求め,a3=q と合わせて初期値を固定する。次に SnSn1=an を使い,anan1 の漸化式を作る。この漸化式は n=3 では恒等的になり,n4 で一般項を帰納的に決める。an の式が出れば,bn=an+2an+1 は差を取るだけで求まる。

解答

(1) n=1 の式は S1=13(2p+a1) であり,S1=a1 だから a1=13(2p+a1) である。よって 3a1=2p+a1,a1=p である。 n=2 の式は a1+a2=23(2p+a2) である。a1=p を代入すると p+a2=43p+23a2 となり,a2=p を得る。さらに a3=q であるから b1=a3a2=qp である。

次に a4,a5 を求める準備として,一般の関係式を作る。n2 について Sn=n3(2p+an),Sn1=n13(2p+an1) であり,SnSn1=an だから 3an=n(2p+an)(n1)(2p+an1) となる。整理して (n3)an=(n1)an12p である。 n=4 を代入すると a4=3a32p=3q2p なので b2=a4a3=2q2p=2(qp) である。n=5 を代入すると 2a5=4a42p=4(3q2p)2p=12q10p より a5=6q5p である。したがって b3=a5a4=(6q5p)(3q2p)=3(qp) である。よって b1=qp,b2=2(qp),b3=3(qp) である。

(2) d=qp とおく。(1)から a1=p,a2=p,a3=p+d である。ここで an=p+(n1)(n2)2d が成り立つことを示す。n=1,2,3 では確かに成り立つ。 n4 とし,n1 まで成り立つと仮定する。漸化式 (n3)an=(n1)an12p に代入すると(n3)an=(n1){p+(n2)(n3)2d}2p=(n3)p+(n1)(n2)(n3)2dである。n30 なので an=p+(n1)(n2)2d となり,帰納的にすべての n で成り立つ。

したがってbn=an+2an+1={p+(n+1)n2d}{p+n(n1)2d}=ndである。d=qp だから bn=n(qp) である。

(3)

(2) の帰納法で得た式をそのまま用いれば an=p+(n1)(n2)2(qp) である。

別の書き方をすれば,a2=p であり,n2 では 次のように書ける。an=a2+j=1n2bj(2)より bj=j(qp) だからan=p+(qp)j=1n2j=p+(n1)(n2)2(qp)となり,同じ結果を得る。

第1階差が等差数列になるため、元の数列は n の2次式になる。

総評

難度5,計算量5。目安時間は24分。Sn 型の条件では,まず SnSn1=an を使うのが定石である。ただし今回の漸化式は n=3 で係数が0になるため,初期値 a1,a2,a3 を別に確定してから n4 の帰納法へ進む必要がある。bn を先に予想しても,最後に an へ戻す計算を省略しない。 n=3 では漸化式の係数が0になるため、a3=q が自由に与えられる構造を見落とさない。

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出典: 東北大学 2006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。