数列$\{a_n\}$が、$a_1 = 1$, $a_{2n} = 3a_{2n-1}$, $a_{2n+1} = a_{2n} + 3^{n-1}$ (for $n=1, 2, 3, \dots$) で定義される。 (1) $a_2, a_3, a_4$ を求める。 (2) $a_{2n}$ および $a_{2n-1}$ を $n$ の式で表す。 (3) $\sum_{n=1}^{2m} a_n$ を $m$ の式で表す。

代数学数列漸化式シグマ
2025/6/9

1. 問題の内容

数列{an}\{a_n\}が、a1=1a_1 = 1, a2n=3a2n1a_{2n} = 3a_{2n-1}, a2n+1=a2n+3n1a_{2n+1} = a_{2n} + 3^{n-1} (for n=1,2,3,n=1, 2, 3, \dots) で定義される。
(1) a2,a3,a4a_2, a_3, a_4 を求める。
(2) a2na_{2n} および a2n1a_{2n-1}nn の式で表す。
(3) n=12man\sum_{n=1}^{2m} a_nmm の式で表す。

2. 解き方の手順

(1) a2,a3,a4a_2, a_3, a_4 を求める。
n=1n=1 のとき、a2=3a1=3(1)=3a_2 = 3a_1 = 3(1) = 3.
a3=a2+311=a2+30=3+1=4a_3 = a_2 + 3^{1-1} = a_2 + 3^0 = 3 + 1 = 4.
n=2n=2 のとき、a4=3a3=3(4)=12a_4 = 3a_3 = 3(4) = 12.
(2) a2na_{2n} および a2n1a_{2n-1}nn の式で表す。
a2n=3a2n1a_{2n} = 3a_{2n-1}
a2n+1=a2n+3n1a_{2n+1} = a_{2n} + 3^{n-1} より、a2n=a2n1+3n1a_{2n} = a_{2n-1} + 3^{n-1} と考えることもできる.
a1=1a_1 = 1
a2=3a1=3a_2 = 3a_1 = 3
a3=a2+30=3+1=4a_3 = a_2 + 3^0 = 3 + 1 = 4
a4=3a3=3(4)=12a_4 = 3a_3 = 3(4) = 12
a5=a4+31=12+3=15a_5 = a_4 + 3^1 = 12 + 3 = 15
a6=3a5=3(15)=45a_6 = 3a_5 = 3(15) = 45
a2n=3a2n1a_{2n} = 3a_{2n-1}より、a2n1=13a2na_{2n-1} = \frac{1}{3} a_{2n}.
a2n+1=a2n+3n1a_{2n+1} = a_{2n} + 3^{n-1}より、a2n=a2n1+3n1a_{2n} = a_{2n-1} + 3^{n-1}.
a2n=3a2n1a_{2n} = 3a_{2n-1}
a2n2=3a2n3a_{2n-2} = 3a_{2n-3}
a2n=a2n1+3n1a_{2n} = a_{2n-1} + 3^{n-1}
a2n1=a2n2+3n2a_{2n-1} = a_{2n-2} + 3^{n-2}
a2n=a2n1+3n1a_{2n} = a_{2n-1} + 3^{n-1}
3a2n1=a2n2+3n2+3n13a_{2n-1} = a_{2n-2} + 3^{n-2} + 3^{n-1}
a2n=a2n1+3n1a_{2n} = a_{2n-1} + 3^{n-1}
a2n1=a2n2+3n2=3a2n3+3n2a_{2n-1} = a_{2n-2} + 3^{n-2} = 3a_{2n-3} + 3^{n-2}
a2n=3a2n1=3(a2n2+3n2)a_{2n} = 3a_{2n-1} = 3(a_{2n-2} + 3^{n-2})
a2n=3a2n1a_{2n} = 3a_{2n-1}
a2n+1=a2n+3n1a_{2n+1} = a_{2n} + 3^{n-1}
a2n+1=3a2n1+3n1a_{2n+1} = 3a_{2n-1} + 3^{n-1}
a2n+1=a2n+3n1a_{2n+1} = a_{2n} + 3^{n-1}
a1=1a_1 = 1
a3=a2+30=3a1+1=3+1=4a_3 = a_2 + 3^0 = 3a_1 + 1 = 3 + 1 = 4
a5=a4+31=3a3+3=3(4)+3=15a_5 = a_4 + 3^1 = 3a_3 + 3 = 3(4) + 3 = 15
a7=a6+32=3a5+9=3(15)+9=54a_7 = a_6 + 3^2 = 3a_5 + 9 = 3(15) + 9 = 54
a2n1=3n1+3n2++30=k=0n13k=3n131=3n12a_{2n-1} = 3^{n-1} + 3^{n-2} + \dots + 3^0 = \sum_{k=0}^{n-1} 3^k = \frac{3^n - 1}{3-1} = \frac{3^n - 1}{2}
a2n=3a2n1=33n12=3n+132a_{2n} = 3a_{2n-1} = 3 \cdot \frac{3^n - 1}{2} = \frac{3^{n+1} - 3}{2}
(3) n=12man\sum_{n=1}^{2m} a_nmm の式で表す。
n=12man=n=1ma2n1+n=1ma2n\sum_{n=1}^{2m} a_n = \sum_{n=1}^m a_{2n-1} + \sum_{n=1}^m a_{2n}
n=1ma2n1=n=1m3n12=12n=1m(3n1)=12(n=1m3nn=1m1)\sum_{n=1}^m a_{2n-1} = \sum_{n=1}^m \frac{3^n - 1}{2} = \frac{1}{2} \sum_{n=1}^m (3^n - 1) = \frac{1}{2} (\sum_{n=1}^m 3^n - \sum_{n=1}^m 1)
=12(3(3m1)31m)=12(32(3m1)m)=34(3m1)m2=33m32m4= \frac{1}{2} (\frac{3(3^m - 1)}{3-1} - m) = \frac{1}{2} (\frac{3}{2} (3^m - 1) - m) = \frac{3}{4}(3^m - 1) - \frac{m}{2} = \frac{3 \cdot 3^m - 3 - 2m}{4}
n=1ma2n=n=1m3n+132=12n=1m(3n+13)=12(n=1m3n+1n=1m3)\sum_{n=1}^m a_{2n} = \sum_{n=1}^m \frac{3^{n+1} - 3}{2} = \frac{1}{2} \sum_{n=1}^m (3^{n+1} - 3) = \frac{1}{2} (\sum_{n=1}^m 3^{n+1} - \sum_{n=1}^m 3)
=12(9(3m1)313m)=12(92(3m1)3m)=94(3m1)3m2=93m96m4= \frac{1}{2} (\frac{9(3^m - 1)}{3-1} - 3m) = \frac{1}{2} (\frac{9}{2} (3^m - 1) - 3m) = \frac{9}{4}(3^m - 1) - \frac{3m}{2} = \frac{9 \cdot 3^m - 9 - 6m}{4}
n=12man=33m32m4+93m96m4=123m128m4=33m32m=3m+12m3\sum_{n=1}^{2m} a_n = \frac{3 \cdot 3^m - 3 - 2m}{4} + \frac{9 \cdot 3^m - 9 - 6m}{4} = \frac{12 \cdot 3^m - 12 - 8m}{4} = 3 \cdot 3^m - 3 - 2m = 3^{m+1} - 2m - 3

3. 最終的な答え

(1) a2=3,a3=4,a4=12a_2 = 3, a_3 = 4, a_4 = 12
(2) a2n1=3n12a_{2n-1} = \frac{3^n - 1}{2}, a2n=3n+132a_{2n} = \frac{3^{n+1} - 3}{2}
(3) n=12man=3m+12m3\sum_{n=1}^{2m} a_n = 3^{m+1} - 2m - 3

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