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東北大学 2015年度 前期日程 第2次学力試験文系数学 第1問

次の性質をもつ数列{an}を考える。

a1=3

an+1>an (n=1, 2, 3, … )

an2−2anan+1+an+12=3(an+an+1) (n=1, 2, 3, … )

(1) n=1, 2, 3, …に対し、an+an+2をan+1を用いて表せ。

(2) bn=an+1−an (n=1, 2, 3, … )により
定まる数列{bn}の一般項を求めよ。

(3) 数列{an}の一般項を求めよ。

難易度5/ 10計算量5/ 10目安18分

数列 漸化式の変形、階差数列、和の計算

方針

与式は階差 bn=an+1−an を使うと bn2=3(an+an+1) となる。まず隣り合う式を比較して bn+1=bn+3 を導く。(1)はこの階差の差から an+an+2 を表し、(2)(3)は b1 を求めて等差数列の和を取る。

解答

与式は (an+1−an)2=3(an+an+1) と書ける。以下、bn=an+1−an とおく。条件より bn>0 である。

(1)

bn=an+1−an を用いると bn2=3(an+an+1)=3(2an+bn) である。したがって an=bn2−3bn6,an+1=bn2+3bn6 である。一方、n+1 に対して同じ式を用いると an+1=bn+12−3bn+16 である。これらを等置して bn+12−3bn+1=bn2+3bn を得る。整理すると (bn+1+bn)(bn+1−bn−3)=0 である。bn+1+bn>0 だから bn+1=bn+3 である。

よって an+an+2=an+(an+1+bn+1)=2an+1+(bn+1−bn)=2an+1+3 である。したがって an+an+2=2an+1+3 である。

(2)

上で示したように bn+1=bn+3 であるから、{bn} は公差3の等差数列である。初項 b1 を求める。a1=3 であり、a2=3+b1 だから b12=3(a1+a2)=3(6+b1) である。よって b12−3b1−18=0,(b1−6)(b1+3)=0 である。b1>0 より b1=6 である。したがって bn=6+3(n−1)=3n+3 である。

(3)

an は a1=3 から階差 bj を足して an=3+∑j=1n−1bj=3+∑j=1n−1(3j+3) である。ゆえに an=3+3(n−1)n2+3(n−1)=3n(n+1)2 である。よって an=3n(n+1)2 である。

別解

解法2(一般項を直接帰納する)

方針

漸化式を隣り合う2本で比較せず、正の階差をその時点の an だけで表す。a1 から一般項を直接帰納し、その差を取って (1)(2) もまとめて得る。

解答

与式をdn=an+1−an>0とおくとdn2=3(an+an+1)=3(2an+dn)である。したがって dn は2次方程式dn2−3dn−6an=0の正の解であり、dn=3+9+24an2となる。

(3)

先に一般項を直接示す。n=1 ではa1=3=3⋅1⋅22である。いまan=3n(n+1)2と仮定すると9+24an=9+36n(n+1)=9(2n+1)2である。よってdn=3+3(2n+1)2=3(n+1)となり、an+1=an+dn=3n(n+1)2+3(n+1)=3(n+1)(n+2)2である。数学的帰納法によりan=3n(n+1)2がすべての自然数 n で成り立つ。

(2)

一般項の差を取ればbn=an+1−an=3(n+1)(n+2)−3n(n+1)2=3(n+1)である。

(1)

同じ一般項を用いるとan+an+2−2an+1=32{n(n+1)+(n+2)(n+3)−2(n+1)(n+2)}=3だからan+an+2=2an+1+3である。

総評

難度5、計算量5。目安時間は18分。階差を置くと構造が見える漸化式問題である。採点点は、bn>0 を使って bn+1+bn を消さないこと、b1 の正の解を選ぶこと、最後に階差の和を正確に取ることである。(1)だけを直接出そうとすると式が散りやすいので、以後の小問につながる bn+1=bn+3 を先に確立するのが安定する。 第2解法では主解法と異なる構造を用い、同じ結論を独立に再現した。

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出典: 東北大学 2015年度 前期 数学(大学公式の問題PDF)。問題文はHTML表示のために再入力・数式組版しています。