大学入試センター試験 2020年(令和2年) 本試 数学ⅡB 第3問 解説

はじめに

いきなり面倒な漸化式が出てくるけど、驚かなくても大丈夫。
問題文が誘導してくれるので、指示される通りに解くと難易度は決して高くないです。
センター試験はこんな風に見た目でおどかしてくるから、「びっくり~(棒読み)」とでも心の中でつぶやいて、あとは平常心で解きましょう。

(1)

①にn=1を代入すると、
a2=42(3a1+3223)
とかける。

問題文より、a1=0なので、この式はさらに
a2=42(3223)=23=6 となる。

解答ア:6

(2)

b1
bn=an3n(n+1)(n+2)式A
n=1を代入したもの。

でも、ここで、
a1=0
なので、式Aのn1を代入すると、右辺の分子は0だ。

よって、計算するまでもなく
b1=0
である。

解答イ:0


問題文の指示通り、①の両辺を
3n+1(n+2)(n+3)
で割ると、左辺は
an+13n+1(n+2)(n+3)
となる。

また、右辺は
n+3{3n+1(n+1)×(n+2)(n+3)}{3an+3n+1(n+1)(n+2)}

途中式 =3an+3n+1(n+1)(n+2)3n+1(n+1)(n+2)=3an3n+1(n+1)(n+2)+3n+13n+1(n+1)(n+2)(n+1)(n+2)3n+1(n+1)(n+2)
=an3n(n+1)(n+2)+1(n+1)(n+2)13n+1
である。

以上より、①は
an+13n+1(n+2)(n+3)=an3n(n+1)(n+2)+1(n+1)(n+2)(13)n+1
と変形できる。

この式の青い部分はbn+1,赤い部分はbnなので、これはさらに
bn+1=bn+1(n+1)(n+2)(13)n+1
式B
とかける。

解答ウ:1, エ:1, オ:2, カ:3

この式の緑の部分を部分分数に分け、bnを移項すると、
bn+1bn=(1n+11n+2)(13)n+1
式B'
となる。

詳しく

復習

一般項が
1n(n+a)
の数列の和を求めるときには、部分分数に分けて
1n(n+a)=1a(1n1n+a)
とする。

解答キ:1


ここまでくると、先が見えてきた。
漸化式の基本の形の復習をすると、

復習

2項間漸化式の基本の形は4つあって、
pn+1=pn+d
公差dの等差数列
pn+1=rpn
公比rの等比数列
pn+1=pn+f(n)
階差数列の一般項がf(n)
pn+1=αpn+β
特性方程式を使って解く
だった。

式Bは、復習の3番目の形。
なので、式B,式B'の
1(n+1)(n+2)(13)n+1
つまり
(1n+11n+2)(13)n+1式C
の部分が、{an}の階差数列の一般項だ。

さらに階差数列の復習をすると、

復習

数列{bn}の階差数列が{dn}のとき、
{bn}の一般項bn{dn}の一般項dnを使って、
bn=b1+k=1n1dk(2n)
と表せる。

よって、この問題の場合、2nのとき、式Cを使って
bn=b1+k=1n1{(1k+11k+2)(13)k+1}
より
bn=b1+k=1n1(1k+11k+2)k=1n1(13)k+1
とかける。

ということで、式Dの赤い部分と青い部分の値を求めよう。


式Dの赤い部分をSn1とおくと、
Sn1=k=1n1(1k+11k+2)
これをΣを使わずに表すと、
Sn1=(1213)+(1314)
          +(1415)+
          +(1n21n1)
          +(1n11n)+(1n1n+1)
となる。
例のパターンだ。

この式の色がついた部分はセットで消えて、
Sn1=121n+1
さらに、右辺を通分すると、
Sn1=n+12(n+1)22(n+1)
Sn1=n12(n+1)
となる。

これをのマスに合う形に変形して、
Sn1=12(n1n+1)式E
である。

解答ク:2, ケ:1, コ:1


式Dの青い部分をTn1とおくと、
Tn1=k=1n1(13)k+1=k=1n113(13)k=13k=1n1(13)k なので、
Tn1=1313{1(13)n1}113=1313(13)n23=13(13)n2=1612(13)n である。

解答サ:1, シ:6, ス:1, セ:2


式E,式Fより、式Dは
bn=b1+12(n1n+1){1612(13)n}
bn=b1+n12(n+1){1612(13)n}式G
とかける。

より、b1=0なので、上の式は
bn=n12(n+1){1612(13)n}

途中式 bn=n12(n+1)16+12(13)n=3(n1)32(n+1)n+16(n+1)+12(13)n=2n432(n+1)+12(13)n
bn=n23(n+1)+12(13)n式G'
となる。

これはn=1のときも成り立つ。

アドバイス

問題文のの式から、式Gの12(13)nの部分は変形しなくてもいいのは明らか。
なので、上の計算では通分しなかった。

解答ソ:2, タ:3, チ:1

(3)

bnが分かれば勝ったも同然。
anbnの関係式からanを求めよう。

式G'を式Aに代入して、
an3n(n+1)(n+2)=n23(n+1)+12(13)n

両辺に3n(n+1)(n+2)をかけて、
an=3n(n+1)(n+2)(n2)3(n+1)+3n(n+1)(n+2)23n

右辺のそれぞれの項を約分して、
an=3n1(n+2)(n2)+(n+1)(n+2)2
an=3n1(n24)+(n+1)(n+2)2
式H
である。

解答ツ:3, テ:1, ト:4, ナ:1, ニ:2, ヌ:2

(4)

式Hを見ると、青い部分はn=1の場合も含めて、常に3の倍数である。
なので、3で割って余りが出るのは、赤い部分だ。
ということで、式Hの赤い部分だけ考える。

an=a3kのとき、つまりn=3kのとき

式Hの赤い部分は、
(3k+1)(3k+2)2
=9k2+9k+22式I
となる。

この分子は連続する2つの整数の積なので、2の倍数だ。
よって、
9k2+9k+2=2の倍数
より
9k2+9k=2の倍数2
なので、9k2+9k2の倍数である。
また、当然ながら3の倍数でもある。

以上より、mを整数として、
9k2+9k=23m
とかけるから、式Iは
23m+22=3m+1
となるので、3で割った余りは
1
である。

解答ネ:1

an=a3k+1のとき、つまりn=3k+1のとき

式Hの赤い部分は、
{(3k+1)+1}{(3k+1)+2}2
=(3k+2)(3k+3)2
=3(3k+2)(k+1)2式J
となる。

この分子は、2の倍数かつ3の倍数。

よって、式Jは3で割りきれて、余りは
0
である。

解答ノ:0

an=a3k+2のとき、つまりn=3k+2のとき

式Hの赤い部分は、
{(3k+2)+1}{(3k+2)+2}2
=(3k+3)(3k+4)2
=3(k+1)(3k+4)2式K
となる。

この分子は、2の倍数かつ3の倍数。

よって、式Kは3で割りきれて、余りは
0
である。

解答ハ:0


よって、{an}は、
a13の倍数
a23の倍数
a33の倍数+1
a43の倍数
a53の倍数
a63の倍数+1

という数列だ。

これはさらに、3項セットにして、
a1+a2+a33の倍数+1
a4+a5+a63の倍数+1

であるとも言える。

以上より、a1からa2020までに含まれる3項セットの数を数えれば解けそうだ。


20203で割ると

673
3)2020
18
22
21
10
9
1

なので、a1+a2+a3++a2020Uとすると、
Uは、(3の倍数+1)673個と、a2020の和
であることが分かる。
ここで、20203の倍数+1なので、より、
a20203の倍数
である。

よって、Uは、
U=3の倍数+673式L
とかける。
これを3で割った余りを求めればよい。

式Lの青い部分は3で割り切れるので、答えは赤い部分の
673
3で割った余りである。


復習

3の倍数の見分け方はについて復習すると、
3の倍数 各桁の数字をたして3の倍数
だった。

673の各桁の数字をたすと、
6+7+3=16
なので、3の倍数よりも1多い。
ということは、673よりも各桁の数字の和が1少ない
672
3の倍数である。
よって、673
673=3の倍数+1
とかけるので、3で割ると
1
余る。

解答ヒ:1

別解

上の解では復習もかねてちょっと変わった方法を使ったけど、当然ながら普通に割り算をしても解ける。

6733で割ると

224
3)673
6
7
6
13
12
1

なので、求める答え、つまり余りは
1
である。

解答ヒ:1