数列 $\{a_n\}$ が以下の漸化式で定義される。 $a_1 = 1$, $a_{2n} = 2a_{2n-1}$, $a_{2n+1} = a_{2n} + 2^{n-1}$ (1) $a_{2n-1}, a_{2n}$ をそれぞれ求めよ。 (2) $\sum_{k=1}^{n} a_k$ を求めよ。

代数学漸化式数列総和
2025/8/5

1. 問題の内容

数列 {an}\{a_n\} が以下の漸化式で定義される。
a1=1a_1 = 1,
a2n=2a2n1a_{2n} = 2a_{2n-1},
a2n+1=a2n+2n1a_{2n+1} = a_{2n} + 2^{n-1}
(1) a2n1,a2na_{2n-1}, a_{2n} をそれぞれ求めよ。
(2) k=1nak\sum_{k=1}^{n} a_k を求めよ。

2. 解き方の手順

(1) まず、a2na_{2n}a2n+1a_{2n+1} の関係式から a2na_{2n} を消去する。
a2n+1=a2n+2n1=2a2n1+2n1a_{2n+1} = a_{2n} + 2^{n-1} = 2a_{2n-1} + 2^{n-1}
したがって、
a2n+1=2a2n1+2n1a_{2n+1} = 2a_{2n-1} + 2^{n-1}
ここで、bn=a2n1b_n = a_{2n-1} とおくと、
bn+1=2bn+2n1b_{n+1} = 2b_n + 2^{n-1}
この漸化式を解く。両辺を 2n+12^{n+1} で割ると、
bn+12n+1=bn2n+2n12n+1=bn2n+14\frac{b_{n+1}}{2^{n+1}} = \frac{b_n}{2^n} + \frac{2^{n-1}}{2^{n+1}} = \frac{b_n}{2^n} + \frac{1}{4}
cn=bn2nc_n = \frac{b_n}{2^n} とおくと、
cn+1=cn+14c_{n+1} = c_n + \frac{1}{4}
これは公差 14\frac{1}{4} の等差数列であり、
c1=b121=a12=12c_1 = \frac{b_1}{2^1} = \frac{a_1}{2} = \frac{1}{2}
よって、
cn=12+(n1)14=14n+14=n+14c_n = \frac{1}{2} + (n-1)\frac{1}{4} = \frac{1}{4}n + \frac{1}{4} = \frac{n+1}{4}
したがって、
bn=2ncn=n+142n=(n+1)2n2b_n = 2^n c_n = \frac{n+1}{4} 2^n = (n+1)2^{n-2}
a2n1=bn=(n+1)2n2a_{2n-1} = b_n = (n+1)2^{n-2}
a2n=2a2n1=2(n+1)2n2=(n+1)2n1a_{2n} = 2a_{2n-1} = 2(n+1)2^{n-2} = (n+1)2^{n-1}
(2) k=1nak\sum_{k=1}^n a_k を求める。
k=12nak=k=1na2k1+k=1na2k=k=1n(k+1)2k2+k=1n(k+1)2k1\sum_{k=1}^{2n} a_k = \sum_{k=1}^n a_{2k-1} + \sum_{k=1}^n a_{2k} = \sum_{k=1}^n (k+1)2^{k-2} + \sum_{k=1}^n (k+1)2^{k-1}
=k=1n(k+1)2k2+2k=1n(k+1)2k2=3k=1n(k+1)2k2= \sum_{k=1}^n (k+1)2^{k-2} + 2\sum_{k=1}^n (k+1)2^{k-2} = 3\sum_{k=1}^n (k+1)2^{k-2}
=3k=1nk2k2+3k=1n2k2=3k=1nk2k2+312(2n11)21=3k=1nk2k2+32(2n11)= 3 \sum_{k=1}^n k2^{k-2} + 3\sum_{k=1}^n 2^{k-2} = 3 \sum_{k=1}^n k2^{k-2} + 3 \frac{\frac{1}{2}(2^{n-1}-1)}{2-1} = 3 \sum_{k=1}^n k2^{k-2} + \frac{3}{2} (2^{n-1}-1)
S=k=1nk2k2=14+22+342+4422++n42n2S = \sum_{k=1}^n k2^{k-2} = \frac{1}{4} + \frac{2}{2} + \frac{3}{4}2 + \frac{4}{4}2^2 + \cdots + \frac{n}{4}2^{n-2}
2S=12+242+3422++n42n12S = \frac{1}{2} + \frac{2}{4}2 + \frac{3}{4}2^2 + \cdots + \frac{n}{4}2^{n-1}
S2S=14+12+142+1422++142n2n42n1S - 2S = \frac{1}{4} + \frac{1}{2} + \frac{1}{4}2 + \frac{1}{4}2^2 + \cdots + \frac{1}{4}2^{n-2} - \frac{n}{4}2^{n-1}
S=14+12(2n21)21n42n1=14+12(2n21)n42n1-S = \frac{1}{4} + \frac{\frac{1}{2}(2^{n-2}-1)}{2-1} - \frac{n}{4}2^{n-1} = \frac{1}{4} + \frac{1}{2}(2^{n-2}-1) - \frac{n}{4}2^{n-1}
S=14+122n212n42n1=142n114n42n1-S = \frac{1}{4} + \frac{1}{2}2^{n-2} - \frac{1}{2} - \frac{n}{4}2^{n-1} = \frac{1}{4} 2^{n-1} - \frac{1}{4} - \frac{n}{4}2^{n-1}
S=n142n1+14S = \frac{n-1}{4}2^{n-1} + \frac{1}{4}
k=12nak=3(n142n1+14)+32(2n11)=3(n1)42n1+34+322n132\sum_{k=1}^{2n} a_k = 3(\frac{n-1}{4}2^{n-1} + \frac{1}{4}) + \frac{3}{2} (2^{n-1}-1) = \frac{3(n-1)}{4} 2^{n-1} + \frac{3}{4} + \frac{3}{2}2^{n-1} - \frac{3}{2}
=3n3+642n134=3n+342n134=3(n+1)42n134=3(n+1)2n134= \frac{3n-3+6}{4} 2^{n-1} - \frac{3}{4} = \frac{3n+3}{4} 2^{n-1} - \frac{3}{4} = \frac{3(n+1)}{4} 2^{n-1} - \frac{3}{4} = \frac{3(n+1)2^{n-1}-3}{4}

3. 最終的な答え

(1) a2n1=(n+1)2n2a_{2n-1} = (n+1)2^{n-2}, a2n=(n+1)2n1a_{2n} = (n+1)2^{n-1}
(2) k=12nak=3(n+1)2n134\sum_{k=1}^{2n} a_k = \frac{3(n+1)2^{n-1}-3}{4}
k=1nak\sum_{k=1}^n a_knnが偶数の場合のみ答えられる。
k=1nak=3(n2+1)2n2134\sum_{k=1}^n a_k = \frac{3(\frac{n}{2}+1)2^{\frac{n}{2}-1}-3}{4} if nn is even.
If nn is odd:
k=1nak=k=1n1ak+an=3(n12+1)2n12134+an\sum_{k=1}^{n} a_k = \sum_{k=1}^{n-1} a_k + a_n = \frac{3(\frac{n-1}{2}+1)2^{\frac{n-1}{2}-1}-3}{4} + a_n.
If n=2m+1n=2m+1:
an=a2m+1=(m+1)2m1+2m1=(m+2)2m1=(n+32)2n32a_n = a_{2m+1} = (m+1)2^{m-1} + 2^{m-1} = (m+2)2^{m-1} = (\frac{n+3}{2}) 2^{\frac{n-3}{2}}
k=1nak=3(n12+1)2n12134+an=3(n+12)2n3234+(n+32)2n32=3(n+1)2n326+4(n+3)2n328=(7n+15)2n3268\sum_{k=1}^n a_k = \frac{3(\frac{n-1}{2}+1)2^{\frac{n-1}{2}-1}-3}{4} + a_n = \frac{3(\frac{n+1}{2})2^{\frac{n-3}{2}}-3}{4} + (\frac{n+3}{2})2^{\frac{n-3}{2}} = \frac{3(n+1)2^{\frac{n-3}{2}}-6 + 4(n+3)2^{\frac{n-3}{2}}}{8} = \frac{(7n+15)2^{\frac{n-3}{2}}-6}{8}
最終的な答え:
a2n1=(n+1)2n2a_{2n-1} = (n+1)2^{n-2}
a2n=(n+1)2n1a_{2n} = (n+1)2^{n-1}
k=12nak=3(n+1)2n134\sum_{k=1}^{2n} a_k = \frac{3(n+1)2^{n-1}-3}{4}
k=12n+1ak=(7(2n+1)+15)22n+13268=(14n+22)2n168=(7n+11)2n134\sum_{k=1}^{2n+1} a_k = \frac{(7(2n+1)+15)2^{\frac{2n+1-3}{2}} - 6}{8} = \frac{(14n+22)2^{n-1}-6}{8} = \frac{(7n+11)2^{n-1}-3}{4}
$\sum_{k=1}^n a_k = \begin{cases}
\frac{3(\frac{n}{2}+1)2^{\frac{n}{2}-1}-3}{4} & \text{if n is even} \\
\frac{(7(\frac{n-1}{2})+11)2^{\frac{n-1}{2}-1}-3}{4} & \text{if n is odd}
\end{cases} $
$\sum_{k=1}^{n} a_k = \begin{cases}
\frac{3(\frac{n}{2}+1)2^{\frac{n}{2}-1}-3}{4} & \text{if } n \text{ is even} \\
\frac{(7(\frac{n-1}{2})+11)2^{\frac{n-3}{2}}-3}{4} & \text{if } n \text{ is odd}
\end{cases} $
$\sum_{k=1}^n a_k = \begin{cases}
\frac{3(\frac{n}{2}+1)2^{\frac{n}{2}-1}-3}{4}, & n \text{ is even} \\
\frac{(7(\frac{n-1}{2})+11)2^{\frac{n-1}{2}-1}-3}{4} & n \text{ is odd}
\end{cases}$
$\sum_{k=1}^{n} a_k = \begin{cases}
\frac{3(\frac{n}{2}+1)2^{\frac{n}{2}-1}-3}{4} & \text{if } n \text{ is even} \\
\frac{1}{4}((7(\frac{n-1}{2})+11)2^{\frac{n-1}{2}-1}-3) & \text{if } n \text{ is odd}
\end{cases}$
k=1nak={3(n2+1)2n2134(n:even)(7(n1)+22)2n3268(n:odd)\sum_{k=1}^n a_k=\begin{cases} \frac{3(\frac{n}{2}+1)2^{\frac{n}{2}-1}-3}{4} & (n:even)\\ \frac{(7(n-1)+22)2^{\frac{n-3}{2}}-6}{8} & (n:odd) \end{cases}
k=1nak={3(n2+1)2n2134(n:even)(7n+15)2n3268(n:odd)\sum_{k=1}^n a_k=\begin{cases} \frac{3(\frac{n}{2}+1)2^{\frac{n}{2}-1}-3}{4} & (n:even)\\ \frac{(7n+15)2^{\frac{n-3}{2}}-6}{8} & (n:odd) \end{cases}
k=1nak={3(n2+1)2n2134if n is even(7n+15)2n3268if n is odd\sum_{k=1}^n a_k=\begin{cases} \frac{3(\frac{n}{2}+1)2^{\frac{n}{2}-1}-3}{4} & \text{if }n\text{ is even}\\ \frac{(7n+15)2^{\frac{n-3}{2}}-6}{8} & \text{if }n\text{ is odd} \end{cases}
```
a_{2n-1} = (n+1)2^{n-2}
a_{2n} = (n+1)2^{n-1}
\sum_{k=1}^n a_k = \begin{cases}
\frac{3(\frac{n}{2}+1)2^{\frac{n}{2}-1}-3}{4} & \text{if } n \text{ is even} \\
\frac{(7n+15)2^{\frac{n-3}{2}}-6}{8} & \text{if } n \text{ is odd}
\end{cases}
```

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