数列 $\{a_n\}$ が漸化式 $a_1 = 1$, $a_{n+1} = 2a_n + n^2$ ($n=1, 2, 3, \dots$) で定義されているとき、一般項 $a_n$ を求める問題です。

代数学漸化式数列一般項
2025/6/20

1. 問題の内容

数列 {an}\{a_n\} が漸化式 a1=1a_1 = 1, an+1=2an+n2a_{n+1} = 2a_n + n^2 (n=1,2,3,n=1, 2, 3, \dots) で定義されているとき、一般項 ana_n を求める問題です。

2. 解き方の手順

まず、an+1=2an+n2a_{n+1} = 2a_n + n^2 の両辺を 2n+12^{n+1} で割ります。
an+12n+1=an2n+n22n+1\frac{a_{n+1}}{2^{n+1}} = \frac{a_n}{2^n} + \frac{n^2}{2^{n+1}}
ここで、bn=an2nb_n = \frac{a_n}{2^n} とおくと、
bn+1=bn+n22n+1b_{n+1} = b_n + \frac{n^2}{2^{n+1}}
bn+1bn=n22n+1b_{n+1} - b_n = \frac{n^2}{2^{n+1}}
n2n \ge 2 のとき、
bn=b1+k=1n1(bk+1bk)=b1+k=1n1k22k+1b_n = b_1 + \sum_{k=1}^{n-1} (b_{k+1} - b_k) = b_1 + \sum_{k=1}^{n-1} \frac{k^2}{2^{k+1}}
b1=a121=12b_1 = \frac{a_1}{2^1} = \frac{1}{2}
したがって、
bn=12+k=1n1k22k+1b_n = \frac{1}{2} + \sum_{k=1}^{n-1} \frac{k^2}{2^{k+1}}
k=1n1k22k+1=12k=1n1k22k\sum_{k=1}^{n-1} \frac{k^2}{2^{k+1}} = \frac{1}{2} \sum_{k=1}^{n-1} \frac{k^2}{2^k}
ここで、S=k=1n1k2xkS = \sum_{k=1}^{n-1} k^2 x^k を計算します (x=12x = \frac{1}{2})。
S=x+4x2+9x3++(n1)2xn1S = x + 4x^2 + 9x^3 + \dots + (n-1)^2 x^{n-1}
xS=x2+4x3++(n2)2xn1+(n1)2xnxS = x^2 + 4x^3 + \dots + (n-2)^2 x^{n-1} + (n-1)^2 x^n
SxS=x+3x2+5x3++(2n3)xn1(n1)2xnS - xS = x + 3x^2 + 5x^3 + \dots + (2n-3)x^{n-1} - (n-1)^2 x^n
(1x)S=k=1n1(2k1)xk(n1)2xn=2k=1n1kxkk=1n1xk(n1)2xn(1-x)S = \sum_{k=1}^{n-1} (2k-1) x^k - (n-1)^2 x^n = 2\sum_{k=1}^{n-1} k x^k - \sum_{k=1}^{n-1} x^k - (n-1)^2 x^n
k=1n1xk=x(1xn1)1x\sum_{k=1}^{n-1} x^k = \frac{x(1-x^{n-1})}{1-x}
k=1n1kxk=xddxk=1n1xk=xddxx(1xn1)1x=x(1(n1)xn2)(1x)x(1xn1)(1)(1x)2\sum_{k=1}^{n-1} kx^k = x \frac{d}{dx} \sum_{k=1}^{n-1} x^k = x \frac{d}{dx} \frac{x(1-x^{n-1})}{1-x} = x \frac{(1-(n-1)x^{n-2})(1-x) - x(1-x^{n-1})(-1)}{(1-x)^2}
=x1(n1)xn2x+(n1)xn1+xxn(1x)2=x1(n1)xn2+(n1)xn1xn(1x)2= x \frac{1-(n-1)x^{n-2} -x + (n-1)x^{n-1} + x - x^n}{(1-x)^2} = x \frac{1-(n-1)x^{n-2} + (n-1)x^{n-1} - x^n}{(1-x)^2}
x=12x = \frac{1}{2} のとき、
k=1n1(12)k=12(1(12)n1)12=1(12)n1\sum_{k=1}^{n-1} (\frac{1}{2})^k = \frac{\frac{1}{2} (1-(\frac{1}{2})^{n-1})}{\frac{1}{2}} = 1 - (\frac{1}{2})^{n-1}
k=1n1k(12)k=121(n1)(12)n3+(n1)(12)n2(12)n1(12)2=2(n1)(12)n4+(n1)(12)n3(12)n2=2n12n4+2(n1)2n342n2=22n22n3+n12n322n3=2n+12n3\sum_{k=1}^{n-1} k (\frac{1}{2})^k = \frac{1}{2} \frac{1-(n-1)(\frac{1}{2})^{n-3} + (n-1)(\frac{1}{2})^{n-2} - (\frac{1}{2})^{n-1}}{(\frac{1}{2})^2} = 2 - (n-1)(\frac{1}{2})^{n-4} + (n-1)(\frac{1}{2})^{n-3} - (\frac{1}{2})^{n-2} = 2 - \frac{n-1}{2^{n-4}} + \frac{2(n-1)}{2^{n-3}} - \frac{4}{2^{n-2}} = 2 - \frac{2n-2}{2^{n-3}} + \frac{n-1}{2^{n-3}} - \frac{2}{2^{n-3}} = 2 - \frac{n+1}{2^{n-3}}
(12)S=2(2n+12n3)(1(12)n1)(n1)2(12)n(\frac{1}{2})S = 2 (2 - \frac{n+1}{2^{n-3}}) - (1 - (\frac{1}{2})^{n-1}) - (n-1)^2 (\frac{1}{2})^n
12S=4n+12n41+12n1(n1)22n=32(n+1)2n3+22n(n1)22n=32n+22n3+2(n22n+1)2n=32n+22n3+n2+2n+12n\frac{1}{2}S = 4 - \frac{n+1}{2^{n-4}} - 1 + \frac{1}{2^{n-1}} - \frac{(n-1)^2}{2^n} = 3 - \frac{2(n+1)}{2^{n-3}} + \frac{2}{2^n} - \frac{(n-1)^2}{2^n} = 3 - \frac{2n+2}{2^{n-3}} + \frac{2-(n^2-2n+1)}{2^n} = 3 - \frac{2n+2}{2^{n-3}} + \frac{-n^2+2n+1}{2^n}
S=6n2+2n+12n1S = 6 - \frac{n^2+2n+1}{2^{n-1}}
bn=12+12k=1n1k22k=12+12(6n2+2n+12n1)=72n2+2n+12nb_n = \frac{1}{2} + \frac{1}{2} \sum_{k=1}^{n-1} \frac{k^2}{2^k} = \frac{1}{2} + \frac{1}{2} (6 - \frac{n^2 + 2n + 1}{2^{n-1}}) = \frac{7}{2} - \frac{n^2+2n+1}{2^n}
an=2nbn=2n(72n2+2n+12n)=72n1(n2+2n+1)a_n = 2^n b_n = 2^n (\frac{7}{2} - \frac{n^2+2n+1}{2^n}) = 7 \cdot 2^{n-1} - (n^2+2n+1)
an=72n1(n+1)2a_n = 7 \cdot 2^{n-1} - (n+1)^2

3. 最終的な答え

an=72n1(n+1)2a_n = 7 \cdot 2^{n-1} - (n+1)^2

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