連立漸化式の解き方(係数が対称となっている場合)

(注意)【~型】はパターンを意識するためであり,当サイト独自の表現です。答案などに書かないようにしてください。

ここでは連立漸化式のうち,係数が対称となっているものを扱います。係数が対称というと特別な場合のように感じるかもしれませんが,入試ではむしろ頻出なので,優先度は高いです。解法さえ知っていれば難しくないので,しっかり確認しましょう。係数が対称でない連立漸化式の解き方を確認したい人は【発展】係数が対称でない連立漸化式(一般型)の解き方をご覧ください。

このページの目標
  • 対称係数型の連立漸化式の解法を知る
  • 対称係数型の連立漸化式が「解ける!」

連立漸化式(対称係数型)

【対称係数型】$\begin{cases}a_{n+1}=pa_n+qb_n \\b_{n+1}=qa_n+pb_n \end{cases}$

(例) 係数が対称
 $\begin{cases}a_{n+1}=2a_n+5b_n\\b_{n+1}=5a_n+2b_n \end{cases}$

連立漸化式(対称係数型)の解法

係数が対称の場合の連立漸化式は,以下のことをパターンとして暗記しておく

連立漸化式(対称係数型)の解法
  • をとって,
    $\left\{a_n+b_n\right\}$$\left\{a_n-b_n\right\}$【等比型】とみる!

連立漸化式(対称係数)の問題と解説

それでは,実際の問題の解説の中で詳しく説明していきますね。

問題

$a_1=1$,  $b_1=2$,  $\begin{cases}a_{n+1}=3a_n+2b_n\\b_{n+1}=2a_n+3b_n \end{cases}$ ($n=1,2,・・・$) によって定義される数列 $\left\{a_n\right\}$, $\left\{b_n\right\}$ の一般項を求めよ。

解説(授業)

係数が対称的

係数が対称なので,

和$(①+②)$差$(①-②)$ をとって,
$\left\{a_n+b_n\right\}$$\left\{a_n-b_n\right\}$ をそれぞれ【等比型】とみる!
という方針で解きます。

$①+②$ を考えてみると,
$a_{n+1}+b_{n+1}=5(a_n+b_n)$【等比型】
となりますが,$a_n+b_n$ をひとかたまりと見れば

a_{n+1}+b_{n+1}=5(a_n+b_n)
5をかけたら
次の項

よって,$\left\{a_n+b_n\right\}$ は,
初項 $a_1+b_1=3$公比 $5$ の等比数列より,
$a_n+b_n$ $=$ $3$ $\cdot$ $5^{n-1}$ ・・・③

同様にして,$①-②$ を考えてみると,
$a_{n+1}-b_{n+1}=a_n-b_n$【等比型】
よって,$\left\{a_n-b_n\right\}$ は,
初項 $a_1-b_1=-1$公比 $1$ の等比数列より,
$a_n-b_n$ $=$ $-1$ $\cdot$ $1^{n-1}$
したがって,
$a_n-b_n=-1$ ・・・④
となりますね。

$a_{n+1}-b_{n+1}=a_n-b_n$ を【等比型】として解きましたが,今回の場合は以下のように考えると,より簡単に求まります。

$a_n-b_n=a_{n-1}-b_{n-1}$

    $=・・・=a_1-b_1=-1$

一瞬ですね。何をしているか分かりますか?
一般に $a_{n+1}=a_n$ のとき $\left\{a_n\right\}$ は定数列(ずっと同じ数が続く数列)となり,$a_n=a_1$ となります。

a_{n+1}=a_nでa_1=3のとき3,3,3,・・・となりa_n=3

今回の場合,$a_{n+1}-b_{n+1}=a_n-b_n$ という式を見て $\left\{a_n-b_n\right\}$ が定数列となっていることに気付けば,初項だけ考えれば一般項 $a_n-b_n$ が求まるということですね。

さて,
をとることで,
$a_n+b_n=3\cdot5^{n-1}$ …③
$a_n-b_n=-1$ …④
という $2$ 式が得られますが,このあとどうすれば $a_n$ と $b_n$ が求まるか分かりますか?
分からないものが $a_n$ と $b_n$ の $2$ つ,
式が $2$ つ
の状態なので,連立方程式を解くように求めれば良さそうですね。
(分からないものの個数だけ式を用意すれば求まるというのが,数学における最重要事項の $1$ つでしたね)

$③+④$ より $b_n$ を消去して
$2a_n=3\cdot5^{n-1}-1$
$2$ で割って
$a_n=\displaystyle\frac{1}{2}(3\cdot5^{n-1}-1)$ (答 $a_n$)

$③-④$ より $a_n$ を消去して
$2b_n=3\cdot5^{n-1}+1$
$2$ で割って
$b_n=\displaystyle\frac{1}{2}(3\cdot5^{n-1}+1)$ (答 $b_n$)

解けましたね。和と差をとることさえ知識として入れておけば,特に難しくない問題ですね。
絶対に落とせないレベルの問題であるため,確実に解けるようにしておきましょう。

(参考) $b_n$ は次のように求めてもよい

$a_n=\displaystyle\frac{1}{2}(3\cdot5^{n-1}-1)$
を求めたあと,
$a_n-b_n=-1$ …④
より,
$b_n$ $=$ $a_n$ $+$ $1$
よって,
$b_n$ $=$ $\displaystyle\frac{1}{2}(3\cdot5^{n-1}-1)$ $+$ $1$

  $=\displaystyle\frac{1}{2}(3\cdot5^{n-1}-1+2)$

  $=\displaystyle\frac{1}{2}(3\cdot5^{n-1}+1)$

答案

$a_{n+1}=3a_n+2b_n$ ・・・①
$b_{n+1}=2a_n+3b_n$ ・・・②

$①+②$ より,
$a_{n+1}+b_{n+1}=5(a_n+b_n)$ 【等比型】
$\left\{a_n+b_n\right\}$ は,
初項 $a_1+b_1=3$,公比 $5$ の等比数列より,
$a_n+b_n=3\cdot5^{n-1}$ …③

$①-②$ より,
$a_{n+1}-b_{n+1}=1(a_n-b_n)$ 【等比型】
$\left\{a_n-b_n\right\}$ は,
初項 $a_1-b_1=-1$,公比 $1$ の等比数列より,
$a_n-b_n=-1\cdot1^{n-1}$
$a_n-b_n=-1$ …④

③,④ より

$a_n=\displaystyle\frac{1}{2}(3\cdot5^{n-1}-1)$

$b_n=\displaystyle\frac{1}{2}(3\cdot5^{n-1}+1)$ (答)

連立漸化式(対称係数型)がこれで「解ける!」

【対称係数型】$\begin{cases}a_{n+1}=pa_n+qb_n \\b_{n+1}=qa_n+pb_n \end{cases}$

連立漸化式(対称係数型)の解法
  • 漸化式のをとる!
  • $\left\{a_n+b_n\right\}$$\left\{a_n-b_n\right\}$【等比型】とみる!
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