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漸化式の類型と解法方針md 626d9ba
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漸化式ぜんかしきの類型るいけいと解法方針かいほうほうしん

date2026-07-14document_iddoc_a7663c3941d54809a359d4360a750164description漸化式を階数と線型性によって分類し、差分、平衡点、特性多項式、状態ベクトルによる解法選択を証明つきで整理する講義。prerequisites数列と漸化式 / 等差数列と等比数列 / シフト作用素と漸化式 / 数学的帰納法type講義content_typelecturestatusactiverelateddata/lecture/math/sequence/sequences-and-recurrences.lecture.n.md / data/lecture/math/sequence/arithmetic-and-geometric-sequences.lecture.n.md / data/lecture/math/sequence/shift-operators-and-recurrences.lecture.n.md / data/lecture/math/sequence/first-order-recurrences.lecture.n.md / data/lecture/math/sequence/difference-equation-basics.lecture.n.md / data/lecture/math/sequence/limits-of-sequences.lecture.n.md / data/lecture/math/linear-operator/polynomial-operators-and-eigenvalue-problems.lecture.n.md / data/exercise/math/sequence/recurrence-types-and-strategies.exercise.n.md
mathsequencerecurrenceshift-operatorexam-strategylecture

1導入どうにゅう

漸化式ぜんかしきの解法かいほうは、公式こうしきの選択せんたくではなく、依存いぞんする過去かこの項数こうすうと式しきの構造こうぞうの識別しきべつから開始かいしする。本講義ほんこうぎでは、まず階数かいすうと線型性せんけいせいを定義ていぎし、その後ごに各類型かくるいけいを単純たんじゅんな数列すうれつまたは作用素方程式さようそほうていしきへ帰着きちゃくする。

2分類用語ぶんるいようご

an+k を an,…,an+k-1 から定さだめる漸化式ぜんかしきで、実際じっさいに必要ひつような最大さいだいの添字差そえじさを階数かいすうorderという。例たとえば an+1=pan+q は 1 階かいである。an+2=san+1+tan は t≠0 のとき 2 階かいであり、t=0 なら 1 階かいへ低下ていかする。

線型漸化式せんけいぜんかしきlinear recurrenceとは、未知列みちれつの各かくシフトの線型結合せんけいけつごうとして表現ひょうげんされ、係数けいすうと右辺うへんが未知列みちれつに依存いぞんしない漸化式ぜんかしきである。未知項みちこうどうしの積せき、冪べき、または未知項みちこうの非線型関数ひせんけいかんすうを含ふくむものは線型せんけいではない。定数係数ていすうけいすう cj に対たいする

c0an+c1an+1+⋯+ckan+k=f(n)

が標準例ひょうじゅんれいである。ck≠0 なら、添字そえじが増加ぞうかする方向ほうこうについて k 階かいである。f=0 を同次どうじ、f≠0 を非同次ひどうじという。シフト作用素さようそ (Ea)n=an+1 を使用しようすれば、この式しきは P(E)a=f と表現ひょうげんできる。

3判定手順はんていてじゅん

構造こうぞう導入量どうにゅうりょう帰着先きちゃくさき
an+1-an=f(n)Δan有限和ゆうげんわ
an+1=ranそのまま等比数列とうひすうれつ
an+1=pan+qan-α等比数列とうひすうれつ
an+1=pan+f(n)an/pn-1差分型さぶんがた
an+2-an+1=r(an+1-an)bn=an+1-an等比数列とうひすうれつ
部分和ぶぶんわ Sn を含ふくむSn+1-Sn=an+1Sn の消去しょうきょ
an+1=rnan有限積ゆうげんせき積型せきがた
an+1-1=an-1+dbn=1/an等差数列とうさすうれつ
an+1=[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"dfrac\")")]Aan+BCan+D固定点こていてんとの交比こうひ等比数列とうひすうれつ
定数係数高階線型ていすうけいすうこうかいせんけいP(E)特性多項式とくせいたこうしき
複数状態ふくすうじょうたいの線型系せんけいけい状態じょうたいベクトル行列反復ぎょうれつはんぷく
合同ごうどう・不等式ふとうしき剰余じょうよ・不変集合ふへんしゅうごう性質せいしつの帰納法きのうほう

4命題めいだい 1:差分さぶんの総和そうわ

n≥1 で an+1-an=f(n) が成立せいりつするなら、

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]an=a1+∑k=1n-1f(k)

が成立せいりつする。n=1 では空和くうわを 0 とする。n≥2 では仮定かていを k=1,…,n-1 について総和そうわすると、左辺さへんが望遠和ぼうえんわ an-a1 となるため、結論けつろんを得える。f(n)=d は等差数列とうさすうれつを与あたえる。

5命題めいだい 2:一次非同次型いちじひどうじがた

an+1=pan+q とする。p=1 なら命題めいだい 1 により

an=a1+(n-1)q

である。p≠1 なら平衡点へいこうてん α=q/(1-p) を定義ていぎし、bn=an-α とする。α=pα+q より

bn+1=pan+q-α=p(an-α)=pbn.

したがって、

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]an=α+(a1-α)pn-1

が成立せいりつする。p=1 の分離ぶんりは、零れいによる除算じょざんを回避かいひするために必須ひっすである。

6命題めいだい 3:変化係数法へんかけいすうほう

p≠0 かつ an+1=pan+f(n) とする。bn=an/pn-1 と定義ていぎすると、

bn+1-bn=f(n)pn.

命題めいだい 1 を適用てきようして、

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]an=pn-1(a1+∑k=1n-1f(k)pk)

を得える。p=0 では an+1=f(n) が直接ちょくせつ a2,a3,… を決定けっていするため、別途処理べっとしょりする。

7命題めいだい 4:階差数列かいさすうれつ

an+2-an+1=r(an+1-an) とし、bn=an+1-an と定義ていぎする。すると bn+1=rbn であるから、bn=(a2-a1)rn-1 である。命題めいだい 1 により、

an=a1+(a2-a1)∑k=0n-2rk

となる。r=1 では和わが n-1、r≠1 では (1-rn-1)/(1-r) である。

8命題めいだい 5:定数係数二階線型型ていすうけいすうにかいせんけいがた

an+2-san+1-tan=0

を体たい K 上じょうで考察こうさつする。t=0 なら階数かいすうが低下ていかする。特とくに s=t=0 なら an+2=0 であり、a1,a2 は任意にんい、n≥3 では an=0 である。以下いか、t≠0 とする。特性多項式とくせいたこうしきを χ(x)=x2-sx-t とする。χ が分解ぶんかいする拡大体かくだいたい L で相異そういなる根ね α,β をもつなら、L 値ちのすべての解かいは

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]an=Aαn-1+Bβn-1

である。実際じっさい、x=α,β を代入だいにゅうすれば各列かくれつが漸化式ぜんかしきを満みたす。また、a1,a2 を一致いっちさせる A,B は一意いちいに存在そんざいする。差さを取とった解かいは初はじめの 2 項こうが零れいであり、漸化式ぜんかしきによる帰納法きのうほうで全項ぜんこうが零れいとなるため、これが全解ぜんかいである。

χ が非零ひれいの重根じゅうこん α をもつなら、全解ぜんかいは

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]an=(A+B(n-1))αn-1

である。これは (E-αI)2 を αn-1 と (n-1)αn-1 に作用さようさせて零れいとなることを直接計算ちょくせつけいさんし、同おなじ初期値一意性しょきちいちいせいを用もちいて証明しょうめいできる。

9高階こうかいと状態じょうたいベクトル

k 階かいの定数係数同次線型漸化式ていすうけいすうどうじせんけいぜんかしきは P(E)a=0 と表現ひょうげんできる。非零ひれいの特性根とくせいこん λ の重複度ちょうふくどが m なら、λn,nλn,…,nm-1λn に対応たいおうする解かいが現あらわれる。零根れいこんは階数かいすうの低下ていかまたは有限初期部分ゆうげんしょきぶぶんに関係かんけいするため、原式げんしきと初期値しょきちから処理しょりする。完全かんぜんな結論けつろんには P の分解体ぶんかいたいを指定していする必要ひつようがある。

また、k 階かいの定数係数同次線型漸化式ていすうけいすうどうじせんけいぜんかしきは vn=(an+k-1,…,an)T を導入どうにゅうして vn+1=Mvn と 1 階かいの行列漸化式ぎょうれつぜんかしきへ変換へんかんできる。この操作そうさは階数かいすうを消去しょうきょするのではなく、過去かこ k 項こうを一ひとつの状態じょうたいに統合とうごうする。

10追加類型ついかるいけい

部分和ぶぶんわ Sn=∑j=1naj を含ふくむ式しきでは、n+1 の式しきと n の式しきの差さを形成けいせいし、Sn+1-Sn=an+1 によって部分和ぶぶんわを消去しょうきょする。

積型せきがた an+1=rnan は an=a1∏j=1n-1rj となる。逆数型ぎゃくすうがた 1/an+1=1/an+d は、すべての対象項たいしょうこうが非零ひれいであるとき bn=1/an により等差型とうさがたへ帰着きちゃくする。

メビウス型がた T(x)=(Ax+B)/(Cx+D) で AD-BC≠0 とし、相異そういなる有限固定点ゆうげんこていてん α,β があり、分母ぶんぼおよび an-β が非零ひれいであるとする。このとき、ある定数ていすう ρ により

T(x)-αT(x)-β=ρx-αx-β

が成立せいりつするため、zn=(an-α)/(an-β) は等比数列とうひすうれつとなる。

線型連立せんけいれんりつ wn+1=Mwn は状態じょうたいベクトルの行列反復ぎょうれつはんぷくである。対称二変数系たいしょうにへんすうけい

xn+1=axn+byn,yn+1=bxn+ayn

では、un=xn+yn、vn=xn-yn により un+1=(a+b)un、vn+1=(a-b)vn と分離ぶんりできる。

整数列せいすうれつで qn∈Z かつ an+1=an-1+qnan が成立せいりつするなら、

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"gcd\")")](an+1,an)=[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"gcd\")")](an-1+qnan,an)=[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"gcd\")")](an-1,an)

である。これは [PARSE ERROR: Undefined("Command(\"gcd\")")](x+qy,y)=[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"gcd\")")](x,y) による隣接最大公約数りんせつさいだいこうやくすうの不変性ふへんせいである。

11性質せいしつを求もとめる問題もんだい

一般項いっぱんこうが不要ふような場合ばあいもある。整数係数せいすうけいすうの漸化式ぜんかしきを法ほう m で縮約しゅくやくすれば、有限個ゆうげんこの剰余状態じょうよじょうたいを解析かいせきできる。不等式ふとうしきや区間不変性くかんふへんせいは、初期条件しょきじょうけんを確認かくにんし、an の性質せいしつから更新式こうしんしきによって an+1 の性質せいしつを導みちびく帰納法きのうほうで証明しょうめいする。

極限きょくげんを問とう問題もんだいでは、固定点こていてんを候補こうほとするだけでは収束しゅうそくの証明しょうめいにならない。極限きょくげん、連続性れんぞくせい、単調性たんちょうせい、有界性ゆうかいせいを導入どうにゅうした後続講義こうぞくこうぎで厳密げんみつに扱あつかう。

12適用範囲てきようはんい

比ひを使用しようする判定はんていには分母ぶんぼの非零性ひれいせい、変化係数法へんかけいすうほうには p≠0、平衡点法へいこうてんほうには p≠1 が必要ひつようである。非線型漸化式ひせんけいぜんかしきでは、逆数ぎゃくすう、対数たいすう、固定点こていてんからの差さの比ひ等とうの変換へんかんが有効ゆうこうな場合ばあいがあるが、変換へんかんの定義域ていぎいきと逆変換可能性ぎゃくへんかんかのうせいを個別こべつに確認かくにんする必要ひつようがある。

13関連講義かんれんこうぎ

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Types of Recurrences and Solution Strategies

1Introduction

Solving a recurrence begins by identifying its order and algebraic structure rather than by selecting a memorized formula. This lecture then reduces each principal type to a simpler sequence or operator equation.

2Classification Terminology

For a recurrence that determines an+k from an,…,an+k-1, its {order} is the largest index gap actually required. Thus an+1=pan+q has order one. The recurrence an+2=san+1+tan has order two when t≠0 and drops to order one when t=0.

A {linear recurrence} is a linear combination of shifts of the unknown sequence whose coefficients and right-hand side are independent of that sequence. Products of unknown terms, powers, and nonlinear functions of unknown terms are excluded. A standard constant-coefficient form is

c0an+c1an+1+⋯+ckan+k=f(n).

When ck≠0, this is order k in the direction of increasing indices. It is homogeneous when f=0 and nonhomogeneous when f≠0. With the shift operator (Ea)n=an+1, this equation is P(E)a=f.

3Decision Procedure

StructureQuantity to introduceReduction
an+1-an=f(n)Δanfinite sum
an+1=rannonegeometric sequence
an+1=pan+qan-αgeometric sequence
an+1=pan+f(n)an/pn-1difference form
an+2-an+1=r(an+1-an)bn=an+1-angeometric sequence
contains a partial sum SnSn+1-Sn=an+1eliminate Sn
an+1=rnanfinite productproduct form
an+1-1=an-1+dbn=1/anarithmetic sequence
an+1=[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"dfrac\")")]Aan+BCan+Dcross-ratio with fixed pointsgeometric sequence
higher-order constant-coefficient linearP(E)characteristic polynomial
linear system with multiple statesstate vectormatrix iteration
congruence or inequalityresidue or invariant setinduction on a property

4Proposition 1: Summing Differences

If an+1-an=f(n) for n≥1, then

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]an=a1+∑k=1n-1f(k).

For n=1, the empty sum is zero. For n≥2, summing the assumption over k=1,…,n-1 makes the left side telescope to an-a1. The case f(n)=d gives an arithmetic sequence.

5Proposition 2: First-Order Nonhomogeneous Form

Suppose an+1=pan+q. If p=1, Proposition 1 gives an=a1+(n-1)q. If p≠1, define the equilibrium α=q/(1-p) and put bn=an-α. Since α=pα+q,

bn+1=pan+q-α=p(an-α)=pbn.

Therefore

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]an=α+(a1-α)pn-1.

Separating p=1 is essential because it prevents division by zero.

6Proposition 3: Variation of Constants

Assume p≠0 and an+1=pan+f(n). Defining bn=an/pn-1 gives

bn+1-bn=f(n)pn.

Proposition 1 therefore yields

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]an=pn-1(a1+∑k=1n-1f(k)pk).

When p=0, the relation an+1=f(n) determines a2,a3,… directly and must be treated separately.

7Proposition 4: Difference Sequences

Suppose an+2-an+1=r(an+1-an) and define bn=an+1-an. Then bn+1=rbn, so bn=(a2-a1)rn-1. Proposition 1 gives

an=a1+(a2-a1)∑k=0n-2rk.

The sum is n-1 when r=1 and (1-rn-1)/(1-r) when r≠1.

8Proposition 5: Second-Order Constant-Coefficient Linear Form

Over a field K, consider

an+2-san+1-tan=0.

If t=0, the order drops. In particular, if s=t=0, then an+2=0; the values a1,a2 are arbitrary and an=0 for n≥3. Henceforth assume t≠0, and let χ(x)=x2-sx-t be the characteristic polynomial. If χ has distinct roots α and β in a splitting field L, every L-valued solution has the form

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]an=Aαn-1+Bβn-1.

Substitution shows that each component satisfies the recurrence. Unique constants A,B match a1,a2. The difference from any other solution then has two initial zeros, and induction using the recurrence makes every term zero; hence this is the complete solution.

If χ has a nonzero repeated root α, every solution has the form

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]an=(A+B(n-1))αn-1.

This follows by checking that (E-αI)2 annihilates both αn-1 and (n-1)αn-1 and then using the same uniqueness argument.

9Higher Order and State Vectors

A constant-coefficient homogeneous linear recurrence of order k can be written as P(E)a=0. A nonzero characteristic root λ of multiplicity m produces solutions corresponding to λn,nλn,…,nm-1λn. A zero root concerns a drop in order or a finite initial segment and must be handled from the original recurrence and initial values. A complete statement must specify a field over which P splits.

An order-k constant-coefficient homogeneous linear recurrence can be converted to a first-order matrix recurrence by introducing vn=(an+k-1,…,an)T and writing vn+1=Mvn. This does not erase the order; it packages the preceding k terms into one state.

10Additional Types

If a relation contains the partial sum Sn=∑j=1naj, subtract its equation at n from its equation at n+1 and use Sn+1-Sn=an+1 to eliminate the partial sum.

The product form an+1=rnan gives an=a1∏j=1n-1rj. The reciprocal form 1/an+1=1/an+d reduces to an arithmetic sequence under bn=1/an, provided every term involved is nonzero.

Suppose the Möbius map T(x)=(Ax+B)/(Cx+D) satisfies AD-BC≠0 and has distinct finite fixed points α,β, and the denominators and an-β are nonzero. Then some constant ρ satisfies

T(x)-αT(x)-β=ρx-αx-β,

so zn=(an-α)/(an-β) is geometric.

A linear system wn+1=Mwn is a matrix iteration of a state vector. For the symmetric two-variable system

xn+1=axn+byn,yn+1=bxn+ayn,

the variables un=xn+yn and vn=xn-yn separate it into un+1=(a+b)un and vn+1=(a-b)vn.

For an integer sequence satisfying qn∈Z and an+1=an-1+qnan,

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"gcd\")")](an+1,an)=[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"gcd\")")](an-1+qnan,an)=[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"gcd\")")](an-1,an).

This is invariance of the gcd of adjacent terms under [PARSE ERROR: Undefined("Command(\"gcd\")")](x+qy,y)=[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"gcd\")")](x,y).

11Problems Asking for Properties

A general term is not always necessary. Reducing an integer-coefficient recurrence modulo m produces finitely many residue states. Inequalities and invariant intervals can be proved by induction: verify the initial condition and derive the property of an+1 from that of an through the update rule.

For a problem asking about a limit, merely identifying a fixed-point candidate does not prove convergence. Limits, continuity, monotonicity, and boundedness are treated rigorously in the subsequent lecture.

12Scope

A ratio-based test requires nonzero denominators, variation of constants requires p≠0, and the equilibrium method requires p≠1. For nonlinear recurrences, transformations involving reciprocals, logarithms, or ratios of differences from fixed points may be effective, but their domains and invertibility must be checked individually.

13Related Lectures

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