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Project Mコミュの(プロジェクト) 漸化式から一般項を求める

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数列の漸化式から一般項を与えるテクニックを書いてみたいと思い立ったので、唐突に開始してみる。

TEXの数式表現により、数式を表すことにします。

コメント(10)

基本からいきます。

a\ne0を定数として漸化式が、a_{n+1}=a*a_{n}のとき、

-------------------------------------------------

\frac{a_{n+1}}{a^{n+1}}=\frac{a_{n}}{a^{n}}

であることを利用して、MIにより

\frac{a_{n}}{a^{n}}=\frac{a_{0}}{a^{0}}=a_{0}

が成立するので、

a_{n}=a_{0}*a^{n}
a\ne0を定数として漸化式が、a_{n+1}=a_{n}+aのとき、

-------------------------------------------------

a_{n}-a_{n-1}=a

であることを利用して、MIにより

a_{n}-a_{0}=a*n

が成立するので、

a_{n}=+a*n+a_{0}
a\ne0を定数として漸化式が、a_{n+1}=a_{n}+nのとき、

-------------------------------------------------

n=\frac{n*(n+1)}{2}-\frac{(n-1)*n}{2}

であることを利用して、

b_{n}=a{n}-\frac{(n-1)*n}{2}

とおくと、元の漸化式は、

b_{n+1}=a{n+1}-\frac{n*(n+1)}{2}=a{n}+n-\frac{n*(n+1)}{2}=a{n}-\frac{(n-1)*n}{2}=b_{n}

となるから、

b_{n}=b_{n-1}

が成立するので、 MIにより、

a_{n}-\frac{(n-1)*n}{2}=b_{n}=b_{0}=a_{0}

が成立するので、

a_{n}=\frac{(n-1)*n}{2}+a_{0}
$a$を$a\ne0,1$なる定数として漸化式が、$a_{n+1}=a_{n}+a^n$のとき、

-------------------------------------------------

$\frac{a^{n+1}-1}{a-1}-a^{n}=\frac{a^{n+1}-1-a^{n}*(a-1)}{a-1}=\frac{a^{n}-1}{a-1}$

であることを利用して、

$b_{n}=a_{n}-\frac{a^{n}-1}{a-1} $

とおくと、元の漸化式は、

$b_{n+1}=a_{n+1}-\frac{a^{n+1}-1}{a-1}=a_{n}+a^{n}-\frac{a^{n+1}-1}{a-1}=a_{n}-\frac{a^{n}-1}{a-1}=b_{n} $

となるから、

$b_{n}=b_{n-1}$

が成立するので、 MIにより、

$a_{n}-\frac{a^{n}-1}{a-1}=b_{n}=b_{0}=a_{0}$

から、

$a_{n}=\frac{a^{n}-1}{a-1}+a_{0}$
$k\in\mathbb{N}$を$k>1$なる定数として漸化式が、

$a_{n+1}=a_{n}+(n+1)n$

のとき、

-------------------------------------------------

$(n+2)(n+1)n-(n+1)n(n-1)=3(n+1)n$

であることを利用して、

$b_{n}=a_{n}-\frac{(n+1)n(n-1)}{3} $

とおくと、元の漸化式は、

$b_{n+1}=a_{n+1}-\frac{(n+2)(n+1)n}{3}$
$=a_{n}+(n+1)n-\frac{(n+2)(n+1)n}{3}$
$=a_{n}-\frac{(n+1)n(n-1)}{3} =b_{n} $

となるから、

$b_{n}=b_{n-1}$

が成立するので、 MIにより、

$a_{n}=b_{n}+\frac{(n+1)n(n-1)}{3}$
$=b_{n}+\frac{(n+1)n(n-1)}{3}$
$=b_{0}+\frac{(n+1)n(n-1)}{3}$
$=a_{0}+\frac{(n+1)n(n-1)}{3}$

---------------------------------------------------------
[1] http://www.mathlinks.ro/weblog_entry.php?t=249886
[2] http://www.mathlinks.ro/weblog_entry.php?t=249888
[3] http://www.mathlinks.ro/weblog_entry.php?t=250047
[4] http://www.mathlinks.ro/weblog_entry.php?t=249859
[5] http://www.mathlinks.ro/weblog_entry.php?t=250799
$k\in\mathbb{N}$ を $k\ge1$ なる定数とし、$G_{k}: \mathbb{R}\longrightarrow\mathbb{R}$ を、

$G_{k}(x) = \prod_{i = 0}^{k - 1}{(x + i)}=x(x+1)\cdots(x+k-1)$

と定義する。このとき、 $n\in\mathbb{N}$ に対して、

$G_{k + 1}(n + 1) - G_{k + 1}(n)$

$= \prod_{i = 0}^{k}{(n + 1 + i)} - \prod_{i = 0}^{k}{(n + i)$

$= (n + 1 + k)\cdot\prod_{i = 0}^{k - 1}{(n + 1 + i)} - n\cdot\prod_{i = 1}^{k}{(n + i)$

$= (n + 1 + k)\cdot\prod_{i = 0}^{k - 1}{(n + 1 + i)} - n\cdot\prod_{i = 0}^{k - 1}{(n + 1 + i)$

$= ((n + 1 + k) - n)\cdos\prod_{i = 0}^{k - 1}{(n + 1 + i)}$

$= (k + 1)\cdot G_{k}(n + 1)$

---------------------------------------------------------

[6] http://www.mathlinks.ro/weblog_entry.php?t=250958
$\frac{G_{k+1}(n)-G_{k+1}(n-1)}{k+1}=G_{k}(n)$

を利用すると、$k\ge1$のとき

$\ \frac{G_{k+1}(n)}{k+1}$

$=\frac{G_{k+1}(n)-G_{k+1}(0)}{k+1}$

$=\sum_{i=1}^{n}{\frac{G_{k+1}(i)-G_{k+1}(i-1)}{k+1}}$

$=\sum_{i=1}^{n}{G_{k}(i)}$

を得ることになる。

---------------------------------------------------------

http://www.mathlinks.ro/weblog_entry.php?t=251119
$G_{k}(x)$を使った例として、

$a_{n} = a_{n - 1} + n^{3}$

の一般項を考えてみる。

$n^{3} = c_3*G_{3}(n) + c_2*G_{2}(n) + c_1*G_{1}(n)$

を満たす、$c_1,c_2,c_3$を求めてみる。

$n^{3} = c_3*n*(n + 1)*(n + 2) + c_2*n*(n + 1) + c_1*n$

最高次の係数を比較して$1 = c_3$、
$n = - 1$とすると、$- 1 = - c_1$、
$n = - 2$とすると、$- 8 = 2*c_2 - 2*c_1$、

したがって、$c_1 = 1,c_2 = - 3,c_3 = 1$から、

$n^{3} = G_{3}(n) - 3*G_{2}(n) + G_{1}(n)$

$a_{n} = a_{n - 1} + G_{3}(n) - 3*G_{2}(n) + G_{1}(n)$

$b_{n} = a_{n} - \frac {G_{4}(n)}{4} + G_{3}(n) - \frac {G_{2}(n)}{2}$

とおくと、MIにより

$b_{n} = b_{n - 1} = \cdots = b_{2} = b_{1} = b_{0} = a_{0}$

$a_{n} = \frac {G_{4}(n)}{4} - G_{3}(n) + \frac {G_{2}(n)}{2} + a_{0}$

------------------------------------------------------

http://www.mathlinks.ro/weblog_entry.php?t=251236
$x_1,x_2$を異なる定数として漸化式が、

$a_{n + 2} - (x_1 + x_2)a_{n + 1} + x_1x_2a_{n} = 0$

あるいは

$a_{n + 2} = (x_1 + x_2)a_{n + 1} - x_1x_2a_{n}$

で、与えられるとき

-------------------------------------------------

$x_1 \ne x_2$であるので$x_1 \ne 0$としても一般性を損なわない。そこで与式は、

$a_{n + 2} - x_1a_{n + 1} = x_2(a_{n + 1} - x_1a_{n})$

と変形できるので、

$a_{n + 1} - x_1a_{n} = x_2^{n}(a_{1} - x_1a_{0})$

$\frac {a_{n + 1}}{x_1^{n + 1}} - \frac {a_{n}}{x_1^{n}} = (\frac {x_2}{x_1})^{n}(a_{1} - x_1a_{0})$

から、

$\frac {a_{n}}{x_1^{n}} = \frac {(\frac {x_2}{x_1})^{n} - 1}{\frac {x_2}{x_1} - 1}(a_{1} - x_1a_{0}) + a_{0}$

-------------------------------------------------

$x_1,x_2$は、2次方程式$t^2 - (x_1 + x_2)t + x_1x_2 = 0$の2根であることを注意したい。
逆に、$a_{n + 2} = Aa_{n + 1} - Ba_{n}$で与えられる漸化式は、2次方程式$t^2 - At + B = 0$の2根を
$x_1,x_2$とおくことにより、$x_1 \ne x_2$であれば、この方法により一般項を求めることが可能である。
$x_1 \ne 0$という前提で書いたが、これは省略することができる。これを次に書くことにしたい。

-------------------------------------------------

http://www.mathlinks.ro/weblog_entry.php?t=251520
$x_1,x_2$を異なる定数として漸化式が、

$a_{n + 2} - (x_1 + x_2)a_{n + 1} + x_1x_2a_{n} = 0$

あるいは

$a_{n + 2} = (x_1 + x_2)a_{n + 1} - x_1x_2a_{n}$

で、与えられるとき

-------------------------------------------------

与えられた漸化式を次のように変形する:

$a_{n + 2} - x_1 a_{n + 1} = x_2 (a_{n + 1} - x_1 a_{n})$

とすると、MIにより

(A)  $a_{n + 1} - x_1 a_{n} = x_2^{n} (a_{1} - x_1 a_{0})$

を得る。与えられた漸化式は、$x_1,x_2$について対称であることを利用して、

(B)  $a_{n + 1} - x_2 a_{n} = x_1^{n} (a_{1} - x_2 a_{0})$

を得るので、$(A) - (B)$を考えることにより、

$(x_2 - x_1) a_{n} = x_2^{n} (a_{1} - x_1 a_{0}) - x_1^{n} (a_{1} - x_2 a_{0})$

$a_{n} = \frac {x_2^{n} (a_{1} - x_1 a_{0}) - x_1^{n} (a_{1} - x_2 a_{0})}{x_2 - x_1}$

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http://www.mathlinks.ro/weblog_entry.php?t=252576

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