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数列と漸化式md 8a76edc
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数列すうれつ漸化式ぜんかしき

date2026-07-14document_iddoc_b54cc76ed99ddd4b29e2f91e504b5df1description数列の定義、添字規約、明示式と漸化式、初期条件による一意決定を整理し、主要な解法へ接続する二言語講義。type講義content_typelecturestatusactiverelateddata/lecture/math/sequence/sequences-portal.lecture.n.md / data/lecture/math/sequence/shift-operators-and-recurrences.lecture.n.md / data/lecture/math/sequence/recurrence-types-and-strategies.lecture.n.md / data/lecture/math/sequence/arithmetic-and-geometric-sequences.lecture.n.md / data/lecture/math/sequence/first-order-recurrences.lecture.n.md / data/exercise/math/sequence/recurrence-types-and-strategies.exercise.n.md
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1導入どうにゅう

数列すうれつは、自然数しぜんすう添字そえじしたがって各項かくこう指定していしたものである。全項ぜんこう添字そえじから直接計算ちょくせつけいさんする明示式めいじしきexplicit formulaと、既知きちこうから後続項こうぞくこうさだめる漸化式ぜんかしきrecurrence relationは、同一どういつ数列すうれつ記述きじゅつするふたつの基本方式きほんほうしきである。本講義ほんこうぎでは両者りょうしゃ意味いみ初期条件しょきじょうけん役割やくわり代表例だいひょうれい整理せいりし、後続講義こうぞくこうぎ解法かいほう接続せつぞくする。

2数列すうれつ添字そえじ

実数列じっすうれつ (an)n1 とは、各整数かくせいすう n1実数じっすう an対応たいおうさせる関数かんすうである。anだい n こうa1初項しょこうという。本講義ほんこうぎでは、特記とっきしないかぎ添字そえじn=1,2,3, から開始かいしする。したがって、an+1=F(n,an) という更新形こうしんけいしきを「すべての n1 について」すと、F定義ていぎされる範囲はんいa2,a3,順次じゅんじ規定きていする。

開始添字かいしそえじ0 とする規約きやく可能かのうであるが、その場合ばあい初項しょこうa0 となり、たとえば a1rn-1対応たいおうするしきa0rn となる。ことなる規約きやく混用こんようしてはならない。

3明示式めいじしき漸化式ぜんかしき

明示式めいじしきは、たとえば

an=2n+1(n1)

のように、n から an直接ちょくせつ指定していする。これにたいし、漸化式ぜんかしき再帰式さいきしき)は

an+1=an+2(n1),a1=3

のように、こう関係かんけい開始値かいしち指定していする。このふたつはおな数列すうれつ 3,5,7,あらわす。明示式めいじしき特定とくていこう計算けいさんてきし、漸化式ぜんかしき隣接項りんせつこう変化へんか生成過程せいせいかてい表現ひょうげんてきする。

4初期条件しょきじょうけん一意決定いちけってい

漸化式ぜんかしきだけでは数列すうれつ一意いちいさだまらない場合ばあいがある。たとえば

an+1=2an

は、a1=1 なら 1,2,4, を、a1=3 なら 3,6,12,生成せいせいする。a1指定してい必要ひつようである。

より一般いっぱんに、関数かんすう Fたいする一階いっかい漸化式ぜんかしき

an+1=F(n,an)(n1)

初期条件しょきじょうけん a1=cRあたえられ、F:N1×RRかく入力にゅうりょくひとつの実数じっすう対応たいおうさせる関数かんすうであれば、実数列じっすうれつ一意いちい決定けっていされる。実際じっさいa1 から a2=F(1,a1)さだまり、同様どうよう各項かくこうから次項じこうさだまるためである。

an+2an+1,an からさだめる二階にかい漸化式ぜんかしきでは、通常つうじょう連続れんぞくするふたつの初期値しょきち必要ひつようとなる。たとえば

an+2=an+1+an(n1),a1=1,a2=1

1,1,2,3,5,一意いちい生成せいせいする。一般いっぱんに、G:N1×RkR による k 階漸化式かいぜんかしき

an+k=G(n,an,an+1,,an+k-1)(n1)

では、最高添字さいこうそえじこう直前ちょくぜんk こうから一意いちい更新こうしんされるため、連続れんぞくする k 初期値しょきち a1,,ak指定していすれば実数列じっすうれつ一意いちい決定けっていされる。

5等差数列とうさすうれつ等比数列とうひすうれつ

一定いってい加法的変化かほうてきへんか等差数列とうさすうれつあたえる。公差こうさ dたいし、

an+1=an+d,an=a1+(n-1)d

である。一定いってい乗法的変化じょうほうてきへんか等比数列とうひすうれつあたえる。公比こうひ rたいし、

an+1=ran,an=a1rn-1

である。前者ぜんしゃでは an+1-an後者こうしゃでは乗数じょうすう検査けんさする。an=0 では an+1/an定義ていぎされないため、等比とうひせい除算じょざんせず an+1=ran によって判定はんていする。一般項いっぱんこう有限和ゆうげんわ証明しょうめいおよび例外処理れいがいしょりは「等差数列とうさすうれつ等比数列とうひすうれつ」であつかう。

data/lecture/math/sequence/arithmetic-and-geometric-sequences.lecture.n.md

6一次漸化式いちじぜんかしき基本例きほんれい

定数ていすう p,qたいする

an+1=pan+q

かんがえる。p=1 なら an+1=an+q であり、等差数列とうさすうれつである。p1 なら、平衡点へいこうてん

α=q1-p

α=pα+qたす。すなわち、α更新写像こうしんしゃぞう xpx+q固定点こていてんfixed pointである。bn:=an-αけば

bn+1=pbn

となり、平衡点へいこうてんからの偏差へんさ等比数列とうひすうれつである。したがって

an=α+(a1-α)pn-1

る。詳細しょうさい導出どうしゅつpあたいによる挙動きょどう具体例ぐたいれいは「一次いちじ漸化式ぜんかしき」であつかう。

data/lecture/math/sequence/first-order-recurrences.lecture.n.md

7解法かいほう選択せんたくする観点かんてん

  • 一定いっていなら等差数列とうさすうれつとしてあつかう。
  • 同一どういつ乗数じょうすう更新こうしんされるなら等比数列とうひすうれつとしてあつかう。
  • an+1=pan+q では、平衡点へいこうてんげんじて等比型とうひがた変換へんかんする。
  • 複数ふくすう過去項かここうふく場合ばあい階数かいすう係数けいすう構造こうぞう確認かくにんし、特性方程式とくせいほうていしきなど適用可能性てきようかのうせい検討けんとうする。
  • 添字そえじ移動いどう差分さぶん統一的とういつてきあつか場合ばあい、シフト作用素さようそ使用しようする。

各型かくかた識別しきべつ解法選択かいほうせんたくは「漸化式ぜんかしきかた解法かいほう」、シフト作用素さようそ E差分作用素さぶんさようそ Δ=E-I による記述きじゅつは「シフト作用素さようそ漸化式ぜんかしき」で展開てんかいする。

data/lecture/math/sequence/recurrence-types-and-strategies.lecture.n.md data/lecture/math/sequence/shift-operators-and-recurrences.lecture.n.md

8適用上てきようじょう注意ちゅうい

有限個ゆうげんこ提示項ていじこうだけから無限数列むげんすうれつ規則きそく一意いちい推定すいていすることはできない。おな有限個ゆうげんここう一致いっちし、そのあとことなる数列すうれつ無数むすう構成こうせいできるためである。また、漸化式ぜんかしき分数ぶんすう平方根へいほうこんふく場合ばあい右辺うへん各段階かくだんかい定義ていぎされるかを確認かくにんする必要ひつようがある。形式的けいしきてき更新規則こうしんきそく初期条件しょきじょうけんがあっても、指定していしたかず範囲内はんいない後続項こうぞくこうつね存在そんざいするとはかぎらない。

9要約ようやく

  • 数列すうれつ (an)n1 は、各整数かくせいすう n1こう an対応たいおうさせる関数かんすうである。
  • 明示式めいじしきan添字そえじから直接ちょくせつ指定していし、漸化式ぜんかしき既知きちこうから後続項こうぞくこう指定していする。
  • 漸化式ぜんかしきによる一意決定いちけっていには、階数かいすうおうじた初期条件しょきじょうけんと、かく更新値こうしんち一意いちい定義ていぎ必要ひつようである。
  • 等差型とうさがた等比型とうひがた平衡点へいこうてんによる変換へんかん一次いちじ漸化式ぜんかしき基本きほんとなる。

10関連講義かんれんこうぎ

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11演習えんしゅう

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