質問<3790>
「「数列」」
日付 2010/6/17
質問者 御手洗


規則性を見つけよ。
(1)
1/(1-x-\(x^{2}\))=Σ(n=0~∞)\(a_{n}\)(\(x^{n}\))
に対して、\(a_{0}\),・・・,\(a_{10}\)を求め、その規則性を見つけよ。
そして、どうしてその規則性が成り立つのか説明せよ。
(2)
(2-x)/(1-x-\(x^{2}\))=Σ(n=0~∞)\(a_{n}\)(\(x^{n}\))
に対して、\(a_{0}\),・・・,\(a_{10}\)を求め、その規則性を見つけよ。
そして、どうしてその規則性が成り立つのか説明せよ。
(3)
(\(x^{2}\))/(1-x-\(x^{2}\)-\(x^{3}\))=Σ(n=0~∞)\(a_{n}\)(\(x^{n}\))
に対して、\(a_{0}\),・・・,\(a_{10}\)を求め、その規則性を見つけよ。
そして、どうしてその規則性が成り立つのか説明せよ。
できるだけ、詳しく教えてください。お願いします。

★希望★完全解答★

お便り
日付 2010/12/11
回答者 平 昭


 こんばんは。明らかに大学生向けの問題ですね。計算に時間がかかりましたが、本質的に
難しい点はない問題かと思います。
 「できるだけ詳しく」とのことでしたが、

「マクローリン展開」 

f(x)=f(0)+xf'(0)+\(x^{2}\)・f''(0)/(2!) + \(x^{3}\)・f'''(0)/(3!)+……

は知っていますね?
ここから説明するのは長くなり過ぎて無理です。知らないなら教科書を見て下さい。

 では、解答です

<問題(1)>
 f(x)=-1/(\(x^{2}\)+x-1)とする。
 方程式 \(x^{2}\)+x-1=0の2解をα、βと書くと、
解と係数の関係より、α+β=αβ=-1

そして、適当なA、Bを取れば
 f(x)=A/(x-α)+B/(x-β)と部分分数で表せる。

さて、1/(x-α)をマクローリン展開すれば

1/(x-α)=Σ(n=0~∞) -\(x^{n}\)/α^(n+1)であるから
 
f(x)=A/(x-α)+B/(x-β)
  =-Σ(n=0~∞)<{A/α^(n+1) + B/β^(n+1)}\(x^{n}\)> 
と書け、求める\(a_{n}\)は

 \(a_{n}\)=-{A/α^(n+1) + B/β^(n+1)}   と表せる。

ここで
 -{A/α^(n+1) + B/β^(n+1)}(α+β)
=-(A/α^n + B/β^n)-{βA/α^(n+1) + αB/β^(n+1)}
=a_(n-1)-{αβA/α^(n+2) + αβB/β^(n+2)}
で、αβ=-1だから
=a_(n-1)+{A/α^(n+2) +B/β^(n+2)}
=a_(n-1)-a_(n+1)
 
 (α+β)=-1も考えれば、結局
-\(a_{n}\)=a_(n-1)-a_(n+1)

整理して           
  
a_(n+1)=\(a_{n}\)+a_(n-1) 、、、  ★

マクローリンの定理より

\(a_{0}\)=f(0)=1、\(a_{1}\)=f’(0)=1

以下、★に従って順に求めれば

\(a_{2}\)=2、\(a_{3}\)=3 \(a_{4}\)=5、\(a_{5}\)=8 \(a_{6}\)=13、\(a_{7}\)=21
\(a_{8}\)=34、\(a_{9}\)=55 \(a_{10}\)=89

規則性とその理由は、★の式とその導出過程より明らかである。


<問題(2)>
 f(x)=x-2/(\(x^{2}\)+x-1)とすれば、問題(1)と同様に

a_(n+1)=\(a_{n}\)+a_(n-1) 、、、  ★が成り立つ。
 問題(1)で★を導くには、f(x)の分母で決まるαとβの関係式しか使っておらず、
★はf(x)の分子に関係なく成立する。

そしてマクローリンの定理より
\(a_{0}\)=f(0)=2、\(a_{1}\)=f’(0)=1

以下、順に求めれば

\(a_{2}\)=3 \(a_{3}\)=4 \(a_{4}\)=7 \(a_{5}\)=11 \(a_{6}\)=18 \(a_{7}\)=29
\(a_{8}\)=47 \(a_{9}\)=76  \(a_{10}\)=123

規則性とその理由は、★の式とその導出過程より明らかである。


<問題(3)>
 f(x)=-\(x^{2}\)/(\(x^{3}\)+\(x^{2}\)+x-1)とする。

 方程式 \(x^{3}\)+\(x^{2}\)+x-1=0の3解をα、β、γと書く。
解と係数の関係より、
α+β+γ=-1、αβ+βγ+γα=1、αβγ=1

適当なA、B、Cを取れば
 f(x)=A/(x-α)+B/(x-β)+C/(x-γ)と部分分数で表せる。

問題(1)、(2)と同様に考えれば

f(x) =-Σ(n=0~∞)<{A/α^(n+1) + B/β^(n+1)+ C/γ^(n+1)}\(x^{n}\)> と書け、

\(a_{n}\)=-{A/α^(n+1) + B/β^(n+1) +C/γ^(n+1)}
と表せる。
ここで
(α+β+γ)\(a_{n}\)=-{A/α^n + B/β^n +C/γ^n)}-{(β+γ)A/α^(n+1)
          + (α+γ)B/β^(n+1) +(α+β)C/γ^(n+1)}

=a_(n-1)-{α(β+γ)A/α^(n+2) + β(α+γ)B/β^(n+2)
                     +γ(α+β)C/γ^(n+2)}

=a_(n-1)-{(1-βγ)A/α^(n+2) + (1-αγ)B/β^(n+2)
                     +(1-αβ)C/γ^(n+2)}

以下、αβ+βγ+γα=1とαβγ=1に注意して整理すれば、

結局

a_(n+3)=a_(n+2)+a_(n+1)+\(a_{n}\)、、、、★★

が得られる。

マクローリンの定理より
\(a_{0}\)=f(0)=0、\(a_{1}\)=f’(0)=0 \(a_{2}\)=f’'(0)/2=1

以下、★★に従って順に求めれば、

\(a_{3}\)=1 \(a_{4}\)=2 \(a_{5}\)=4 \(a_{6}\)=7 \(a_{7}\)=13
\(a_{8}\)=24 \(a_{9}\)=44  \(a_{10}\)=81

規則性とその理由は、★★の式とその導出過程より明らかである。