新潟大学/2025年度/前期

3新潟大学 2025年 数学 第3問解答・解説

1問題

新潟大学2025年度第3問
22次方程式x2−x−1=0{x}^{2}-x-1=0の解α=1+52,\alpha =\frac{1+\sqrt{5}}{2} ,β=1−52\beta =\frac{1-\sqrt{5}}{2}に対して、数列{an}\{{a}_{n}\}をan=αn−1+βn−1{a}_{n}={\alpha }^{n-1}+{\beta }^{n-1}(n=1,( n=1 ,2,2 ,3,3 ,⋯)⋯ )により定める。次の問いに答えよ。

(1) a1,{a}_{1} ,a2,{a}_{2} ,a3,{a}_{3} ,a4,{a}_{4} ,a5{a}_{5}を求めよ。

(2) 自然数nnに対して、αn+1−αn=αn−1,{\alpha }^{n+1}-{\alpha }^{n}={\alpha }^{n-1} ,βn+1−βn=βn−1{\beta }^{n+1}-{\beta }^{n}={\beta }^{n-1}が成り立つことを示せ。

(3) 数列{an}\{{a}_{n}\}の階差数列を{bn}\{{b}_{n}\}とする。すなわち、

bn=an+1−an{b}_{n}={a}_{n+1}-{a}_{n}(n=1,2,3,⋯)( n=1 ,2 ,3 ,⋯ )

である。b1{b}_{1}を求めよ。また、n≧2n\geqq 2に対して、bn=an−1{b}_{n}={a}_{n-1}が成り立つことを示せ。

(4) 自然数nnに対して、∑k=1nak=an+2−1\displaystyle {\sum }_{k=1}^{n}{a}_{k}={a}_{n+2}-1が成り立つことを示せ。

(5) 自然数nnに対して、∑k=1nak2=anan+1+2\displaystyle {\sum }_{k=1}^{n}{{a}_{k}}^{2}={a}_{n} {a}_{n+1}+2が成り立つことを示せ。

まずは自分で解いてみましょう。解けたら「答え」、詰まったら「解答」で確かめられます。

タイマー

15:00

2答え

答えを見る自分の答えと照らし合わせる
  • (1)
    a1=2a_1=2、a2=1a_2=1、a3=3a_3=3、a4=4a_4=4、a5=7a_5=7。
  • (2)
    αn+1−αn=αn−1\alpha^{n+1}-\alpha^n=\alpha^{n-1}、βn+1−βn=βn−1\beta^{n+1}-\beta^n=\beta^{n-1}。
  • (3)
    b1=−1b_1=-1。n≧2n\geqq2 では bn=an−1b_n=a_{n-1}。
  • (4)
    ∑k=1nak=an+2−1\sum_{k=1}^na_k=a_{n+2}-1。
  • (5)
    ∑k=1nak2=anan+1+2\sum_{k=1}^na_k^2=a_na_{n+1}+2。

3解答

解答を見る途中式つきの解答

解答

(1)

α+β=1\alpha+\beta=1、αβ=−1\alpha\beta=-1 より、a1=2a_1=2、a2=1a_2=1、a3=(α+β)2−2αβ=3a_3=(\alpha+\beta)^2-2\alpha\beta=3。
各根が r2=r+1r^2=r+1 を満たすため、an+2=an+1+ana_{n+2}=a_{n+1}+a_n。
よって a4=4a_4=4、a5=7a_5=7。

(2)

α2−α=1\alpha^2-\alpha=1、β2−β=1\beta^2-\beta=1 の両辺に、それぞれ αn−1\alpha^{n-1}、βn−1\beta^{n-1} を掛ければよい。
n=1n=1 でも指数 00 として成立する。

(3)

b1=a2−a1=1−2=−1b_1=a_2-a_1=1-2=-1。
n≧2n\geqq2 では(2)の指数を n−1n-1 として、αn−αn−1=αn−2\alpha^n-\alpha^{n-1}=\alpha^{n-2}、同様に β\beta の式も成り立つ。
両式の和より an+1−an=an−1a_{n+1}-a_n=a_{n-1}。

(4)

(3)より ak=ak+2−ak+1a_k=a_{k+2}-a_{k+1}(k≧1k\geqq1)。
k=1k=1 から nn まで加えると、∑k=1nak=an+2−a2=an+2−1\sum_{k=1}^na_k=a_{n+2}-a_2=a_{n+2}-1 となる。

(5)

n=1n=1 では左辺は 44、右辺は 2⋅1+2=42\cdot1+2=4。
k≧2k\geqq2 では ak+1−ak−1=aka_{k+1}-a_{k-1}=a_k だから、ak2=akak+1−ak−1aka_k^2=a_ka_{k+1}-a_{k-1}a_k。
k=2k=2 から nn まで加え、a12=4a_1^2=4 を足すと、∑k=1nak2=anan+1−a1a2+4=anan+1+2\sum_{k=1}^na_k^2=a_na_{n+1}-a_1a_2+4=a_na_{n+1}+2。

読み終えたら解答を閉じて、もう一度自分の手で解いてみましょう。

答えと解答は AI で作成したものです。誤りに気づいたらお問い合わせから教えてください。

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