数列 $\{a_n\}$ が、$a_1 = 1$, $a_{n+1} = (\sqrt{2}-1)a_n + 2$ ($n = 1, 2, 3, \dots$) で定義される。このとき、$a_n = p_n + \sqrt{2} q_n$ と表せる。以下の問いに答える。 (1) $p_1, p_2, q_1, q_2$ を求めよ。 (2) $p_{n+1}, q_{n+1}$ を $p_n, q_n$ を用いてそれぞれ表せ。 (3) $b_n = a_n - (2 + \sqrt{2})$ とする。$b_{n+1}$ を $b_n$ を用いて表せ。また、$b_n$ を $n$ を用いて表せ。 (4) $c_n = p_n - \sqrt{2} q_n$ とする。$c_{n+1}$ を $c_n$ を用いて表せ。 (5) $p_n, q_n$ を $n$ を用いてそれぞれ表せ。

代数学数列漸化式代数計算
2025/8/7

1. 問題の内容

数列 {an}\{a_n\} が、a1=1a_1 = 1, an+1=(21)an+2a_{n+1} = (\sqrt{2}-1)a_n + 2 (n=1,2,3,n = 1, 2, 3, \dots) で定義される。このとき、an=pn+2qna_n = p_n + \sqrt{2} q_n と表せる。以下の問いに答える。
(1) p1,p2,q1,q2p_1, p_2, q_1, q_2 を求めよ。
(2) pn+1,qn+1p_{n+1}, q_{n+1}pn,qnp_n, q_n を用いてそれぞれ表せ。
(3) bn=an(2+2)b_n = a_n - (2 + \sqrt{2}) とする。bn+1b_{n+1}bnb_n を用いて表せ。また、bnb_nnn を用いて表せ。
(4) cn=pn2qnc_n = p_n - \sqrt{2} q_n とする。cn+1c_{n+1}cnc_n を用いて表せ。
(5) pn,qnp_n, q_nnn を用いてそれぞれ表せ。

2. 解き方の手順

(1)
a1=1=p1+2q1a_1 = 1 = p_1 + \sqrt{2}q_1 より、p1=1p_1 = 1, q1=0q_1 = 0.
a2=(21)a1+2=(21)(1)+2=1+2a_2 = (\sqrt{2}-1)a_1 + 2 = (\sqrt{2}-1)(1) + 2 = 1 + \sqrt{2}.
a2=p2+2q2a_2 = p_2 + \sqrt{2}q_2 より、p2=1p_2 = 1, q2=1q_2 = 1.
(2)
an+1=(21)an+2=(21)(pn+2qn)+2=(21)pn+2qn2qn+2=(2pn+2qn)+2(pnqn)a_{n+1} = (\sqrt{2}-1)a_n + 2 = (\sqrt{2}-1)(p_n + \sqrt{2}q_n) + 2 = (\sqrt{2}-1)p_n + 2q_n - \sqrt{2}q_n + 2 = (2-p_n+2q_n) + \sqrt{2}(p_n-q_n)
また、an+1=pn+1+2qn+1a_{n+1} = p_{n+1} + \sqrt{2}q_{n+1}
よって、pn+1=2pn+2qnp_{n+1} = 2-p_n+2q_n , qn+1=pnqnq_{n+1} = p_n - q_n
(3)
bn=an(2+2)b_n = a_n - (2 + \sqrt{2}) より、an=bn+2+2a_n = b_n + 2 + \sqrt{2}.
an+1=bn+1+2+2a_{n+1} = b_{n+1} + 2 + \sqrt{2}.
an+1=(21)an+2a_{n+1} = (\sqrt{2}-1)a_n + 2 に代入すると、
bn+1+2+2=(21)(bn+2+2)+2=(21)bn+222+2+222+2=(21)bn+422b_{n+1} + 2 + \sqrt{2} = (\sqrt{2}-1)(b_n + 2 + \sqrt{2}) + 2 = (\sqrt{2}-1)b_n + 2\sqrt{2} - 2 + 2 + 2\sqrt{2} - 2 + 2 = (\sqrt{2}-1)b_n + 4\sqrt{2}-2
bn+1=(21)bn+324b_{n+1} = (\sqrt{2}-1)b_n + 3\sqrt{2}-4
b1=a1(2+2)=1(2+2)=12b_1 = a_1 - (2+\sqrt{2}) = 1 - (2+\sqrt{2}) = -1 - \sqrt{2}
bn+1=(21)bnb_{n+1} = (\sqrt{2}-1)b_n
bn=b1(21)n1=(12)(21)n1=(2+1)(21)n1=(21)1(21)n1=(21)n2b_n = b_1 (\sqrt{2}-1)^{n-1} = (-1-\sqrt{2})(\sqrt{2}-1)^{n-1} = -(\sqrt{2}+1)(\sqrt{2}-1)^{n-1} = -(\sqrt{2}-1)^{-1} (\sqrt{2}-1)^{n-1} = -(\sqrt{2}-1)^{n-2}
(4)
cn=pn2qnc_n = p_n - \sqrt{2} q_n
cn+1=pn+12qn+1=(2pn+2qn)2(pnqn)=2pn+2qn2pn+2qn=2(pn2qn)2(pn2qn)=2(1+2)(pn2qn)=2(1+2)cnc_{n+1} = p_{n+1} - \sqrt{2} q_{n+1} = (2-p_n+2q_n) - \sqrt{2} (p_n - q_n) = 2 - p_n + 2q_n - \sqrt{2} p_n + \sqrt{2} q_n = 2 - (p_n - \sqrt{2} q_n) - \sqrt{2}(p_n - \sqrt{2}q_n) = 2 - (1+\sqrt{2}) (p_n - \sqrt{2}q_n) = 2 - (1+\sqrt{2}) c_n
(5)
an=pn+2qna_n = p_n + \sqrt{2}q_n, bn=an(2+2)b_n = a_n - (2+\sqrt{2}) より、an=bn+(2+2)a_n = b_n + (2+\sqrt{2})
bn=(21)n2b_n = -(\sqrt{2}-1)^{n-2} より、an=2+2(21)n2a_n = 2 + \sqrt{2} - (\sqrt{2}-1)^{n-2}
cn=pn2qnc_n = p_n - \sqrt{2}q_n
pn=an+cn2p_n = \frac{a_n + c_n}{2}, qn=ancn22q_n = \frac{a_n - c_n}{2\sqrt{2}}
ancn=(pn+2qn)(pn2qn)=22qna_n - c_n = (p_n + \sqrt{2}q_n) - (p_n - \sqrt{2}q_n) = 2\sqrt{2}q_n
an+cn=(pn+2qn)+(pn2qn)=2pna_n + c_n = (p_n + \sqrt{2}q_n) + (p_n - \sqrt{2}q_n) = 2p_n
c1=p12q1=12(0)=1c_1 = p_1 - \sqrt{2} q_1 = 1 - \sqrt{2} (0) = 1
cn+1=2(1+2)cnc_{n+1} = 2 - (1+\sqrt{2})c_n より
cn=22+2+α((1+2))n1c_n = \frac{2}{2+\sqrt{2}} + \alpha (-(1+\sqrt{2}))^{n-1} , where 2(1+2)22+2=2(2+2)2(1+2)2+2=2+02+2=22+22- (1+\sqrt{2}) \frac{2}{2+\sqrt{2}} = \frac{2(2+\sqrt{2})-2(1+\sqrt{2})}{2+\sqrt{2}} = \frac{2+0}{2+\sqrt{2}} = \frac{2}{2+\sqrt{2}}
cn=2c_n = \sqrt{2}

3. 最終的な答え

(1) p1=1p_1 = 1, p2=1p_2 = 1, q1=0q_1 = 0, q2=1q_2 = 1
(2) pn+1=2pn+2qnp_{n+1} = 2-p_n+2q_n, qn+1=pnqnq_{n+1} = p_n - q_n
(3) bn+1=(21)bnb_{n+1} = (\sqrt{2}-1)b_n, bn=(21)n2b_n = -(\sqrt{2}-1)^{n-2}
(4) cn+1=2(1+2)cnc_{n+1} = 2 - (1+\sqrt{2}) c_n
(5) pn=2+2(21)n2+22p_n = \frac{2 + \sqrt{2} - (\sqrt{2}-1)^{n-2}+\sqrt{2}}{2} , qn=2+2(21)n2222q_n = \frac{2+\sqrt{2} - (\sqrt{2}-1)^{n-2}-\sqrt{2}}{2\sqrt{2}}
pn=2+22(21)n22p_n = \frac{2 + \sqrt{2}}{2} - \frac{(\sqrt{2}-1)^{n-2}}{2}, qn=2+222(21)n222q_n = \frac{2+\sqrt{2}}{2\sqrt{2}} - \frac{(\sqrt{2}-1)^{n-2}}{2\sqrt{2}}
pn=1+22(21)n22p_n = 1 + \frac{\sqrt{2}}{2} - \frac{(\sqrt{2}-1)^{n-2}}{2}, qn=12+12(21)n222q_n = \frac{1}{\sqrt{2}} + \frac{1}{2} - \frac{(\sqrt{2}-1)^{n-2}}{2\sqrt{2}}

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