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東北大学 2018年度 後期日程 第2次学力試験理系(後期)数学 第4問

数列 a1,a2,…,an,… はan={0(n=1),12∣an−1+1∣−1(n が偶数),an−12+2an−1(n が奇数かつ n≧3)を満たすとする。

(1)
n が奇数のとき、an を求めよ。

(2)
n が偶数のとき、an を求めよ。

(3) lim⁡n→∞anを求めよ。

難易度5/ 10計算量4/ 10目安18分

数列 漸化式の変形、帰納的定義の利用、極限計算

方針

奇数番目だけを bm=a2m−1 とおくと、偶数番目を経由して bm+1+1=(bm+1)/4 という等比型の漸化式が得られる。初期値 b1=0 から奇数番目の一般項を求める。偶数番目は直前の奇数番目を平方根の式へ代入すれば直接求まる。どちらも −1 に近づくので極限も決まる。

解答

(1)
奇数番目だけを取り出して bm=a2m−1 とおく。b1=a1=0 である。 a2m−1=bm とする。偶数番目では a2m=12∣bm+1∣−1 である。後で得られるように bm+1>0 なので、絶対値は外してよい。次の奇数番目では a2m+1=a2m2+2a2m=(a2m+1)2−1 である。ところが a2m+1=12bm+1 だから bm+1+1=a2m+1+1=14(bm+1) である。 b1+1=1 より bm+1=4−(m−1) である。したがって bm=−1+4−(m−1) である。n=2m−1 と戻すと、n が奇数のとき an=−1+4−n−12 である。

(2) n=2m とする。(1)より a2m−1+1=4−(m−1) である。したがってa2m=12a2m−1+1−1=124−(m−1)−1=2−m−1である。よって n が偶数のとき an=−1+2−n2 である。

(3)
(1)、(2)より、奇数番目では an=−1+4−n−12 であり、偶数番目では an=−1+2−n2 である。どちらの補正項も n→∞ で0に近づく。したがって lim⁡n→∞an=−1 である。

別解

解法2

方針

bn=an+1 と平行移動して式を単純化し、奇数番目から次の奇数番目への2段階漸化式を作る。

解答

bn=an+1 とおく。するとb1=1,偶数 n ではbn=12∣bn−1∣,奇数 n≧3 ではbn=bn−12である。b1>0 から帰納的に bn>0 なので、絶対値は外せる。

(1)
cm=b2m−1 とおくとb2m=12cm,cm+1=b2m2=14cm.c1=1 だからcm=4−(m−1).したがって奇数 n=2m−1 ではan=bn−1=−1+4−(n−1)/2.(2)
偶数 n=2m ではb2m=124−(m−1)=2−m,よってan=−1+2−n/2.(3)
奇数番目・偶数番目のいずれでも bn→0 だからlim⁡n→∞an=−1.

総評

難度5、目安時間18分。偶数番目と奇数番目で定義が違うため、奇数番目だけを抜き出すと構造が見える。a2m+1+1=(a2m+1)2 と、a2m+1=12a2m−1+1 を組み合わせるのが核心である。絶対値は、得られた一般項から a2m−1+1>0 と分かるので問題なく外せる。

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出典: 東北大学 2018年度 後期 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。