質問<94>
「「トリボナッチ数列の一般項」」
日付 98/12/4
質問者 水の流れ


 次のような漸化式で表される数列の一般項を求めてください。
f(1)=1,f(2)=1,f(3)=2、
f(n+3)=f(n+2)+f(n+1)+f(n)

*5月末から考えていますが、まだ、知り得ません。
よろしく、お願いします。

(例1)<バスケットボール競技の得点経過>
   今、私はバスケットボールの顧問をしています。競技
   での得点はフリースローは1点、フィールドスローは
   7m以内は2点、7m以上は3点として加算されてい
   きます。そこで、試合中スコアブックをみると、時間
   と得点経過が示されていました。
   n点になるまでの得点経過はをT(n)とするとき、数列
   T(n)の漸化式はどうなるでしょうか。

(例2)<駒の動き方>
   下の図のような碁盤のますの中に、最初一番左下に駒
   があり、その座標(0,0)です。この駒は右、上、
   斜め上と3通りの方法で1ますづつ動くことができま
   す。図の一番右上のますの座標(m、n)までたどり
   着く経路は何とおりですか。 

(例3)大相撲の星取り表の中にもでてきます。
   大相撲の本場所で、3連敗しない方法(2連敗まで許
   される)勝ち負けの起こり方は1,2,3,4,・・
   、15日目ではどんな数列になるでしょう。

お返事(武田)
日付 98/12/6
回答者 武田


「トリボナッチ数列」と言う名前は、初めて聞きました。
「フィボナッチ数列」の一般項を求めるときに購入した本
 培風館新数学シリーズ20「差分方程式」高橋健人著 
を調べてみました。

フィボナッチ数列は、2階差分方程式と言い、
f(1)=1,f(2)=1のとき
f(n+2)=f(n+1)+f(n)と言う形です。
ご質問のトリボナッチ数列は3階差分方程式と呼ばれている
ようです。
この本によると、n階差分方程式は特性方程式を使って解く
ようです。

例えば、f(n+2)=f(n+1)+2f(n)のとき、
f(n+2)-f(n+1)-2f(n)=0
f(n)=ρnとおくと、
ρn+2-ρn+1-2ρn=0
ρnで割ると、
ρ2-ρ-2=0
(ρ-2)(ρ+1)=0(※因数分解できる場合)
ρ=2,-1
したがって、
f(n)=C1(2)n+C2(-1)n
初期条件f(1)=1,f(2)=1とすると、
1=1/3、C2=-1/3
∴f(n)=1/3{(2)n-(-1)n

フィボナッチ数列の場合でやってみましょう。
f(1)=1,f(2)=1のとき
f(n+2)=f(n+1)+f(n)と言う形です。
特性方程式ρ2-ρ-1=0
因数分解できないので、解の公式より、
ρ=(1\(\pm\)\(\sqrt{\quad}\)5)/2
初期条件f(1)=1,f(2)=1より、
1=1/\(\sqrt{\quad}\)5、C2=-1/\(\sqrt{\quad}\)5
∴f(n)=1/\(\sqrt{\quad}\)5{((1+\(\sqrt{\quad}\)5)/2)n-((1-\(\sqrt{\quad}\)5)/2)n

つまり、特性方程式の解がポイントのようです。
さて、質問の3階差分方程式ですが、
f(1)=1,f(2)=1,f(3)=2、
f(n+3)=f(n+2)+f(n+1)+f(n)より、
特性方程式はρ3-ρ2-ρ-1=0
なんと3次方程式の解法がここで出てきました。しかし、こ
の3次方程式は上手には解けません。
α=3\(\sqrt{\quad}\)((19+3\(\sqrt{\quad}\)33)/27)
β=3\(\sqrt{\quad}\)((19-3\(\sqrt{\quad}\)33)/27)
ω=(-1+\(\sqrt{\quad}\)3i)/2
ω2=(-1-\(\sqrt{\quad}\)3i)/2
より、
ρ1=α+β+\(\frac{1}{3}\)
ρ2=αω+βω2+\(\frac{1}{3}\)
ρ3=αω2+βω+\(\frac{1}{3}\)
が特性方程式の3つの解となります。
ρ1は実数解
ρ2とρ3は虚数解
虚数解の方を三角関数の極形式にして整理すると、
f(n)=A11)n+rn{A2cos(nθ)+A3sin(nθ)}
ただし、r2=\(\frac{1}{36}\)・(3α+3β-2)2+\(\frac{3}{4}\)・(α-β)2
θ=cos-1{(-\(\frac{1}{2}\)・α-\(\frac{1}{2}\)・β+\(\frac{1}{3}\))/r}
初期条件より、A1、A2、A3を求める。
しかし、近似値でしか求められない。これでいいのだろうか?