問題
数列があって,すべてのについて,初項から第項までの和がに等しいとする.
(1) がすべて正とする.一般項を求めよ.
(2) 最初の100項のうち,1つは負で他はすべて正とする.を求めよ.
出典:名古屋大学 1996年度 前期日程 第2次学力試験 理系 第1問
方針
(1)は部分和 を導入し, から または を得る。すべて正なら後者を選べないので等差数列になる。(2)では,最初の100項に負の項が1つだけある位置を とする。負になる前は必ず正項列と同じ増え方をし,負になった後は正に戻すための選択を調べる。負の項が第100項か,それより前かで が分かれる。
解答
(1)
部分和を とおく。条件は である。 では より であるから である。 では より である。整理すると となるので または である。すべての項が正なら, から後者は選べない。したがって常に である。よって である。
(2)
上で得た関係により,各 で または である。
最初の100項のうち,ただ1つの負の項が第 項であるとする。 だから である。第 項より前には負の項がないので,そこまでは毎回 を選ぶ。したがって である。
第 項を負にするには でなければならない。
まず の場合を考える。第 項以後は正でなければならない。 の場合は で,二つの選択はいずれも を与える。 の場合は なので,正に戻すには を選ぶしかない。その後は負の項を増やさないため,毎回 を加える選択をする。よって
である。
次に の場合は,第99項まではすべて正項列と同じだから であり, となる。
したがって求める値は である。