大学入試センター試験 2017年(平成29年) 本試 数学ⅡB 第3問 解説
(1)
$\{s_{n}\}$は初項が$1$,公比が$2$の等比数列なので、
$s_{!}=1$
$s_{2}=2$
$s_{3}=4$
である。
よって、
$s_{1}s_{2}s_{3}=1\cdot 2\cdot 4$
$s_{1}s_{2}s_{3}$$=8$
$s_{1}+s_{2}+s_{3}=1+2+4$
$s_{1}+s_{2}+s_{3}$$=7$
となる。
解答ア:8, イ:7
アドバイス
上の解説では使わなかったけれど、アは等比中項を用いても解ける。
等比中項の性質は、
復習
等比中項
$a$,$b$,$c$がこの順で等比数列のとき、
$ac=b^{2}$
だった。
等差中項の性質の
復習
等差中項
$a$,$b$,$c$がこの順で等差数列のとき、
$a+c=2b$
と一緒に憶えておこう。
(2)
$\{s_{n}\}$は初項が$x$,公比が$r$の等比数列なので、
$s_{!}=x$
$s_{2}=xr$
$s_{3}=xr^{2}$
である。
よって、
$s_{1}s_{2}s_{3}=x\cdot xr\cdot xr^{2}$
$s_{1}s_{2}s_{3}$$=x^{3}r^{3}$式A
$s_{1}+s_{2}+s_{3}=x+xr+xr^{2}$
$s_{1}+s_{2}+s_{3}$$=x(1+r+r^{2})$式B
となる。
この式Aが①式なので、
$x^{3}r^{3}=a^{3}$
$xr=a$③
である。
解答ウ:a
また、式Bが②式なので、
$x(1+r+r^{2})=b$式C
となるけど、問題文より$r$,$a$,$b$の関係式を作りたいので、$x$がじゃまだ。
なので、③式を
$x=\displaystyle \frac{a}{r}$
と変形して、式Cに代入して$x$を消そう。
$\displaystyle \frac{a}{r}(1+r+r^{2})=b$
$a(1+r+r^{2})=br$
$a+ar+ar^{2}-br=0$
$ar^{2}+ar-br+a=0$
$ar^{2}+(a-b)r+a=0$④
となる。
解答エ:a, オ:a, カ:b, キ:a
$r$は等比数列$\{s_{n}\}$の公比で、実数であるので、④式の判別式$D$は
$D\geqq 0$
と書ける。
よって、
$D=(a-b)^{2}-4\cdot a\cdot a\geqq 0$
$a^{2}-2ab+b^{2}-4a^{2}\geqq 0$
$-3a^{2}-2ab+b^{2}\geqq 0$
$3a^{2}+2ab-b^{2}\leqq 0$⑤
である。
解答ク:3, ケ:2
(3)
③式,④式に$a=64$,$b=336$を代入して、
$xr=64$③'
$64r^{2}+(64-336)r+64=0$④'
である。
この連立方程式を解く。
④'式の両辺を$16$で割って、
$4r^{2}+(4-21)r+4=0$
より、
$4r^{2}-17r+4=0$
$(4r-1)(r-4)=0$
$r=\displaystyle \frac{1}{4},4$
となるけど、問題文より公比$r$は$1$より大きいので、
$r=4$
である。
解答コ:4
これを③'式に代入して、
$4x=64$
$x=16$
である。
解答サ:1, シ:6
以上より、$\{s_{n}\}$は、
初項:$16$
公比:$4$
の等比数列なので、一般項$s_{n}$は
$s_{n}=16\cdot 4^{n-1}$
$s_{n}$$=4^{n+1}$
である。
$\{t_{n}\}$を
$t_{n}=4^{n+1}\log_{4}4^{n+1}$
とするので、これを変形して、
$t_{n}=4^{n+1}\times(n+1)\log_{4}4$
$t_{n}$$=4^{n+1}\times(n+1)$
$t_{n}$$=(n+1)4^{n+1}$式D
となる。
解答ス:1, セ:1
これは「等差数列$\times$等比数列」の形の数列なので、和を求める場合、決まった解き方があるから憶えておこう。
$U_{n}$は、$T_{n}$の初項から$n$項までの和なので、
$U_{n}=T_{1}+T_{2}+T_{3}+\cdots+T_{n-1}+T_{n}$
と書ける。
式Dより、これはさらに
$U_{n}=2\cdot 4^{2}+3\cdot 4^{3}+\cdots+n\cdot 4^{n}+(n+1)4^{n+1}$式E
と書ける。
式Eの両辺を$4$倍して、
$4U_{n}=2\cdot 4^{3}+3\cdot 4^{4}+\cdots+n\cdot 4^{n+1}+(n+1)4^{n+2}$式F
式Eから式Fを辺々引いて、
$U_{n}$ | $=$ | $2\cdot 4^{2}$ | $+$ | $3\cdot 4^{3}$ | $+$ | $\cdots$ | $+$ | $(n+1)4^{n+1}$ | |||
$-)$ | $4U_{n}$ | $=$ | $2\cdot 4^{3}$ | $+$ | $\cdots$ | $+$ | $n\cdot 4^{n+1}$ | $+$ | $(n+1)4^{n+2}$ | ||
$(1-4)U_{n}$ | $=$ | $2\cdot 4^{2}$ | $+$ | $4^{3}$ | $+$ | $\cdots$ | $+$ | $4^{n+1}$ | - | $(n+1)4^{n+2}$ |
となるけど、赤い部分は
初項:$4^{3}$
公比:$4$
項数:$n-1$
の等比数列の和なので、
$\displaystyle \frac{4^{3}(1-4^{n-1})}{1-4}$
と書ける。
なので、
$(1-4)U_{n}=2\displaystyle \cdot 4^{2}+\frac{4^{3}(1-4^{n-1})}{1-4}-(n+1)4^{n+2}$
となる。
これを計算して、
$-3U_{n}=2\displaystyle \cdot 4^{2}+\frac{4^{3}-4^{n+2}}{-3}-(n+1)4^{n+2}$
$-3U_{n}\displaystyle $$\displaystyle =2\cdot 4^{2}-\frac{4}{3}\cdot 4^{2}+\frac{1}{3}\cdot 4^{n+2}-(n+1)4^{n+2}$
$-3U_{n}$$=\left(2-\frac{4}{3}\right)4^{2}+\left\{\frac{1}{3}-(n+1)\right\}4^{n+2}$
$-3U_{n}\displaystyle $$\displaystyle =\frac{2}{3}\cdot 4^{2}-\left(n+\frac{2}{3}\right)4^{n+2}$
$-3U_{n}\displaystyle $$\displaystyle =\frac{32}{3}-\frac{3n+2}{3}\cdot 4^{n+2}$
$U_{n}=-\displaystyle \frac{32}{3\cdot 3}+\frac{3n+2}{3\cdot 3}\cdot 4^{n+2}$
$U_{n}\displaystyle $$\displaystyle =+\frac{3n+2}{9}\cdot 4^{n+2}-\frac{32}{9}$
である。
解答ソ:3, タ:2, チ:9, ツ:2, テ:3, ト:2, ナ:9