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東北大学 2025年度 前期日程 第2次学力試験理系数学 第2問

正の実数からなる2つの数列{xn},{yn}を次のように定める。x1=2,y1=12,xn+1=(xn)5⋅(yn)2,yn+1=xn⋅(yn)6このとき,以下の問いに答えよ。

(1) kを実数とする。an=log⁡2xn, bn=log⁡2ynとおく。
このとき,数列{an+kbn}が等比数列になるようなkの値をすべて求めよ。

(2) 数列{xn}の一般項を求めよ。

難易度6/ 10計算量5/ 10目安20分

数列、指数・対数 置換、漸化式の変形、特性方程式、計算整理

方針

対数で連立一次漸化式に直す。(1) は特定の初期値から始まる数列なので、形式的な係数比較だけではなく、最初の3項が等比数列の条件を満たすことから候補を絞り、その各候補が全項で十分であることを確認する。(2) は an−bn と an+2bn の2本の等比数列を連立する。

解答

(1)
xn,yn>0 なのでan=log⁡2xn,bn=log⁡2ynとおける。漸化式の対数をとるとan+1=5an+2bn,bn+1=an+6bnである。初期値は (a1,b1)=(1,−1) だから(a2,b2)=(3,−5),(a3,b3)=(5,−27)となる。

cn=an+kbn とおくとc1=1−k,c2=3−5k,c3=5−27k.まず k=1 なら c1=0, c2=−2 であり、公比 r に対して c2=rc1 とならないので等比数列ではない。k≠1 のとき、等比数列であるためには少なくともc22=c1c3が必要である。したがって0=(3−5k)2−(1−k)(5−27k)=−2(k−2)(k+1)より k=2,−1 に限られる。

逆に k=2 ならan+1+2bn+1=7(an+2bn)なので公比7の等比数列である。また k=−1 ならan+1−bn+1=4(an−bn)なので公比4の等比数列である。よって必要十分な k はk=2,−1である。

(2)
上で得た2本の等比数列の初項はa1+2b1=−1,a1−b1=2であるからan+2bn=−7n−1,an−bn=2⋅4n−1.後者を2倍して前者と加えると3an=4⋅4n−1−7n−1=4n−7n−1.したがってan=4n−7n−13,xn=2an=24n−7n−13である。n=1 を代入すると x1=2 となり、初期値とも一致する。

別解

解法2(2階漸化式へ帰着)

方針

(1) は最初の3項に等比条件を課し、候補 k=2,−1 を得て十分性を直接確認する。(2) は bn を消去して an の2階線形漸化式を作り、特性方程式で解く。

解答

(1)
(a1,b1)=(1,−1)、(a2,b2)=(3,−5)、(a3,b3)=(5,−27) である。cn=an+kbn とおけばc1=1−k,c2=3−5k,c3=5−27k.k=1 は c1=0, c2≠0 なので不適である。それ以外では c22=c1c3 が必要で、(3−5k)2=(1−k)(5−27k)を解くと k=2,−1 を得る。実際an+1+2bn+1=7(an+2bn),an+1−bn+1=4(an−bn)なので、どちらも十分である。

(2)
第一の漸化式から2bn=an+1−5anである。またan+2=5an+1+2bn+1=5an+1+2an+12bn=11an+1−28an.初期値は a1=1, a2=3 である。特性方程式λ2−11λ+28=(λ−4)(λ−7)=0よりan=A4n−1+B7n−1.A+B=1, 4A+7B=3 を解くと A=4/3, B=−1/3 であるからan=4n−7n−13,xn=24n−7n−13.この式は元の初期値と漸化式から導いたので全ての自然数 n に対して成り立つ。

総評

難度6、計算量5、想定時間20分。公式の出題意図は、等比数列と対数の性質を組み合わせることにある。公式講評が特に指摘する通り、(an,bn) は任意の値を動くわけではないため、単なる形式的な係数比較だけでは必要性の証明にならない。最初の3項から候補を絞り、k=2,−1 のそれぞれで全項の漸化式を確認すれば必要十分性が完結する。(2) は2本の等比数列を連立する方法と、an の2階漸化式へ落とす方法が相互検算になる。初期値 b1=−1 の符号にも注意する。

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出典: 東北大学 令和7年度一般選抜(前期日程)文系・理系共通(公式問題・出題意図・講評)(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。