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数学B

ぜんしき等差とうさがた等比とうひがた特性とくせい方程式ほうていしきかいがた

最終確認日:

このしょうまなぶこと

漸化式ぜんかしき とは、 「となりこうかんけい式」 で数列すうれつていする方法ほうほう一般項いっぱんこうちょくせつあたえられなくても、 ぜんしきから 一般いっぱんこうana_nもとめるのがこのしょうもくひょうです。

  • ぜんしきしょじょうけんやくわりかいする
  • 等差とうさがた an+1=an+da_{n+1} = a_n + dあつか
  • 等比とうひがた an+1=rana_{n+1} = r a_nあつか
  • an+1=pan+qa_{n+1} = p a_n + q特性方程式とくせいほうていしき
  • かいがた an+1=an+f(n)a_{n+1} = a_n + f(n)

ポイント: ぜんしきは 「ぜん = だんだんしていく」 の文字通もじどおり、 1 ステップずつ数列すうれつつくるルール。 入試にゅうしでは がたてパターンに分類ぶんるい できるかがかぎです。

1. ぜんしきとは

定義ていぎ

数列すうれつ{an}\{a_n\} について、 りんせつするこう (れい: ana_nan+1a_{n+1}) のかんけいあらわしきぜんしきぶ。 つうじょう 初項しょこう a1a_1いっしょあたえる。

れい: a1=1a_1 = 1an+1=an+3a_{n+1} = a_n + 3 → 1, 4, 7, 10, 13, … (公差こうさ 3 の等差とうさ数列すうれつ)

なぜぜんしきまなぶか

  • ぜんげんしょうおおくは 「まえじょうたいからつぎまる」 仕みをつ (人口モデルじんこうもでる利息りそく遺伝いでんなど)
  • コンピュータプログラムの 再帰さいきおなかんがかた
  • 一般いっぱんこうちょくせつもとめにくい数列すうれつけいとう的にあつかえる

2. 等差とうさがたan+1=an+da_{n+1} = a_n + d

差がいっていなので 等差数列とうさすうれつ公差こうさdd

an=a1+(n1)da_n = a_1 + (n-1)d

例題れいだい 1

a1=5a_1 = 5an+1=an+4a_{n+1} = a_n + 4一般いっぱんこうもとめよ。

かい: 公差こうさ 4 の等差とうさ数列すうれつan=5+(n1)4=4n+1a_n = 5 + (n-1) \cdot 4 = 4n + 1

3. 等比とうひがたan+1=rana_{n+1} = r a_n

比がいっていなので 等比数列とうひすうれつ公比こうひ rr

an=a1rn1a_n = a_1 \cdot r^{n-1}

例題れいだい 2

a1=3a_1 = 3an+1=2ana_{n+1} = 2 a_n一般いっぱんこうもとめよ。

かい: おおやけ 2 の等比とうひ数列すうれつan=32n1a_n = 3 \cdot 2^{n-1}

4. an+1=pan+qa_{n+1} = pa_n + q型 (特性とくせい方程式ほうていしき)

p1p \neq 1 のとき

an+1=pan+qa_{n+1} = p a_n + q

かたち等比とうひでも等差とうさでもない。 これをくカギが 特性方程式とくせいほうていしき です。

かた (定番ていばん手順てじゅん)

  1. 特性方程式とくせいほうていしき α=pα+q\alpha = p \alpha + qいて α=q1p\alpha = \dfrac{q}{1 - p}もとめる (α\alphaどうてん)

  2. あたえられたしきから α=pα+q\alpha = p \alpha + q

    an+1α=p(anα)a_{n+1} - \alpha = p (a_n - \alpha)
  3. つまり {anα}\{a_n - \alpha\}おおやけpp等比数列とうひすうれつ になる

  4. anα=(a1α)pn1a_n - \alpha = (a_1 - \alpha) p^{n-1} より

    an=α+(a1α)pn1a_n = \alpha + (a_1 - \alpha) p^{n-1}

例題れいだい 3

a1=2a_1 = 2an+1=3an+4a_{n+1} = 3 a_n + 4一般いっぱんこうもとめよ。

かい:

  1. 特性とくせい方程式ほうていしき: α=3α+4\alpha = 3\alpha + 4α=2\alpha = -2
  2. an+1+2=3(an+2)a_{n+1} + 2 = 3 (a_n + 2)
  3. {an+2}\{a_n + 2\}おおやけ 3、 はつこうa1+2=4a_1 + 2 = 4等比とうひ数列すうれつ
  4. an+2=43n1a_n + 2 = 4 \cdot 3^{n-1} より an=43n12a_n = 4 \cdot 3^{n-1} - 2

検算けんざん: a1=42=2a_1 = 4 - 2 = 2 ✓、 a2=122=10a_2 = 12 - 2 = 10あたえられたしきa2=32+4=10a_2 = 3 \cdot 2 + 4 = 10

大事だいじ: 特性とくせい方程式ほうていしきちょっかん: 「ぜんしきがどこか 1 てんうごかなくなるあたい (α\alpha) をくと、 ピュアな等比とうひになる」。 この 「ずらし」 がテクニックのかくです。

5. かいがたan+1=an+f(n)a_{n+1} = a_n + f(n)

かた

かいbn=an+1an=f(n)b_n = a_{n+1} - a_n = f(n)nnしきになるタイプ。 階差数列かいさすうれつ公式こうしきく。

n2n \geq 2

an=a1+k=1n1f(k)a_n = a_1 + \sum_{k=1}^{n-1} f(k)

例題れいだい 4

a1=1a_1 = 1an+1=an+2na_{n+1} = a_n + 2n一般いっぱんこうもとめよ。

かい: n2n \geq 2

an=1+k=1n12k=1+2(n1)n2=1+n(n1)=n2n+1a_n = 1 + \sum_{k=1}^{n-1} 2k = 1 + 2 \cdot \frac{(n-1)n}{2} = 1 + n(n-1) = n^2 - n + 1

n=1n = 1 でも 1=11 = 1 ✓。 → an=n2n+1a_n = n^2 - n + 1

6. その頻出ひんしゅつパターン (発展はってん)

かたちかたがいよう
an+1=pan+f(n)a_{n+1} = p a_n + f(n)りょうへんpn+1p^{n+1}って bn=an/pnb_n = a_n / p^n
an+2=pan+1+qana_{n+2} = p a_{n+1} + q a_n隣接三項間りんせつさんこうかん ぜんしき特性とくせい方程式ほうていしきx2=px+qx^2 = px + qいて等比とうひ 2 つの
れんりつぜんしきan+1=,bn+1=a_{n+1} = \cdots, b_{n+1} = \cdotsan+bna_n + b_nanbna_n - b_n などの

7. まとめ

ぜんしきかたちせんりゃく
an+1=an+da_{n+1} = a_n + d等差とうさ (公差こうさdd)
an+1=rana_{n+1} = r a_n等比とうひ (おおやけrr)
an+1=pan+qa_{n+1} = p a_n + q (p1p \neq 1)特性とくせい方程式ほうていしきα\alphaいて等比とうひ
an+1=an+f(n)a_{n+1} = a_n + f(n)かい数列すうれつふくげん

8. 例題れいだい (総合そうごう演習えんしゅう)

例題れいだい 5: 等差とうさ等比とうひ区別くべつ

つぎぜんしきけ。

(1) a1=7, an+1=an3a_1 = 7, \ a_{n+1} = a_n - 3

(2) b1=2, bn+1=12bnb_1 = 2, \ b_{n+1} = \dfrac{1}{2} b_n

かい:

(1) 公差こうさ3-3等差とうさ数列すうれつan=7+(n1)(3)=103na_n = 7 + (n-1)(-3) = 10 - 3n

(2) おおやけ1/21/2等比とうひ数列すうれつbn=2(1/2)n1=22nb_n = 2 \cdot (1/2)^{n-1} = 2^{2-n}

例題れいだい 6: 特性とくせい方程式ほうていしき練習れんしゅう

a1=1,an+1=12an+3a_1 = 1, a_{n+1} = \dfrac{1}{2} a_n + 3一般いっぱんこうもとめよ。

かい:

  1. 特性とくせい方程式ほうていしきα=12α+3\alpha = \dfrac{1}{2}\alpha + 3α=6\alpha = 6
  2. an+16=12(an6)a_{n+1} - 6 = \dfrac{1}{2}(a_n - 6)
  3. {an6}\{a_n - 6\}はつこう16=51 - 6 = -5おおやけ1/21/2等比とうひ数列すうれつ
  4. an6=5(1/2)n1a_n - 6 = -5 \cdot (1/2)^{n-1} より an=65(1/2)n1a_n = 6 - 5 \cdot (1/2)^{n-1}

検算けんざん: a1=65=1a_1 = 6 - 5 = 1 ✓、 a2=65/2=7/2a_2 = 6 - 5/2 = 7/2あずかしき121+3=7/2\dfrac{1}{2} \cdot 1 + 3 = 7/2 ✓。

例題れいだい 7: かいがた練習れんしゅう

a1=2,an+1=an+3na_1 = 2, a_{n+1} = a_n + 3^n一般いっぱんこうもとめよ。

かい: かい3k3^kk=1k = 1 から n1n-1 まです。 n2n \geq 2

an=2+k=1n13k=2+3(3n11)31=2+3n32=3n+12a_n = 2 + \sum_{k=1}^{n-1} 3^k = 2 + \frac{3(3^{n-1} - 1)}{3 - 1} = 2 + \frac{3^n - 3}{2} = \frac{3^n + 1}{2}

n=1n = 1 でも (3+1)/2=2(3 + 1)/2 = 2 ✓。 → an=3n+12a_n = \dfrac{3^n + 1}{2}

けないときの戦略せんりゃく

ぜんしきかたちが 4 パターンのどれにもいっしないときは、

  • りょうへんanan+1a_n a_{n+1}われる → 1an\dfrac{1}{a_n}あたらしい数列すうれつとしてあつか
  • りょうへん対数たいすうせきわる
  • an+pa_n + pan/qna_n / q^n などの 置き換えおきかえこころみる

いずれも 「の 4 パターンに帰着きちゃくさせる」 のがせんりゃくほんです。

しょう: だい 4 しょうでは 数学的帰納法すうがくてききのうほうまなび、 ぜんしきすいそくした一般いっぱんこうが 「すべての nnただしい」 ことを厳みつしょうめいする方法ほうほうにつけます。

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