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東北大学 2019年度 前期日程 第2次学力試験文系数学 第3問

数列{an}を次の漸化式によって定める。a1=1,a2=3,an+2an=2an+12(n=1, 2, 3, ⋯ )(1) すべての正の整数nについて,anは正であることを示せ。

(2) 一般項anを求めよ。

難易度4/ 10計算量4/ 10目安12分

数列 漸化式の変形、数学的帰納法

方針

まず初期値が正であることと、an,an+1 が正なら漸化式から an+2 も正になることを帰納法で示す。正性が分かれば比 rn=an+1an を定義でき、与えられた漸化式は rn+1=2rn という等比数列に変わる。最後に an=a1r1r2⋯rn−1 と積を計算する。

解答

(1) a1=1、a2=3 はともに正である。いま an>0、an+1>0 と仮定すると、漸化式より an+2=2an+12an>0 である。したがって数学的帰納法により、すべての正の整数 n について an>0 である。

(2)
(1)より an>0 なので rn=an+1an とおける。与えられた漸化式 an+2an=2an+12 の両辺を an+1an で割ると an+2an+1=2an+1an である。すなわち rn+1=2rn である。

初期値は r1=a2a1=3 なので rn=3⋅2n−1 である。したがって n≧2 でan=a1r1r2⋯rn−1=3n−1⋅20+1+⋯+(n−2)=3n−12(n−1)(n−2)2となる。n=1 でも右辺は1となるから、一般に an=3n−12(n−1)(n−2)2 である。

別解

解法2(対数を取って階差数列にする)

方針

(1) で正性を確保した後、bn=log⁡2an とおく。積の漸化式を加法の漸化式へ変え、階差 dn=bn+1−bn が等差数列になることを使う。

解答

(1)
a1=1>0, a2=3>0 である。また an>0, an+1>0 ならan+2=2an+12an>0.したがって数学的帰納法により、すべての正の整数 n で an>0 である。

(2)
正性よりbn=log⁡2anとおける。漸化式の対数を取るとbn+2+bn=1+2bn+1.ここで dn=bn+1−bn とおけばdn+1=dn+1.またd1=b2−b1=log⁡23だからdn=log⁡23+n−1.よってbn=b1+∑k=1n−1dk=(n−1)log⁡23+(n−1)(n−2)2.したがってan=2bn=3n−12(n−1)(n−2)2.

総評

難度4、目安時間12分。比を取れば等比数列になる典型問題だが、その前に an が正であることを示しておく必要がある。rn の初期値が r1=3 であり、指数の和が 0+1+⋯+(n−2) になる点を丁寧に書くとミスが少ない。一般項が n=1 でも成り立つことまで確認すると答案として完成する。

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出典: 東北大学 2019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。