漸化式の特殊解と一般解


 

 

次のよくある漸化式でてみよう。

<問>

 次の関係を満たす数列を求めよ。

 

     ・・・・�@

 

               ・・・・�A

 

 

高校の数学では、�@が漸化式、�Aを初項と呼ぶ。高校数学では�@を方程式とみていないから、方程式を解くという言葉は適切ではない。

ところで、差分方程式(広くは関数方程式である)から視ると

�@   は差分方程式で、�Aは初期条件である。

数学的な構造は微分方程式の場合と同様である。

また、�@に対して、次の方程式(漸化式)を考える。

 

     ・・・・�B

 

�A   式を同次方程式と呼ぶ、

これに対して、

�@を非同次方程式と呼ぶ

今後、�B式を区別するために次のように置き変えておく。

 

    ・・・・�C

 

●  一般解とは

任意(何でもよい)の初期条件(ここでは初項)をもった解である。

�B   の一般解は、公比2の等比数列であるから、等比数列の一般公の公式から

   ・・・・�D

ここに、は任意の定数である。

この     が初項であり、差分方程式での初期条件に相当する。この初期条件を指定したものが特殊解である。

次に改めて、�@の特殊解を考えてみよう。

● 特殊解とは

方程式�@の解(特集解)を初期条件(初項)�Aとは関係なく探してみよう。未定係数法で、定数解を探してみよう。そこで、その解を (定数)としてみよう。すると次の1次方程式を得る。

    ・・・・・・�E

を得る。�Eを解いて

  を得る。

 

�@の特殊解は

   

である。

実は�E式が受験参考書でいうところの特性方程式であつた訳である。

 

●�@式においての特殊解と一般解との関係

 いま�@の解(一般解)を 次のようにおくと�@式を満たしていることを以下のように確かめることができる。

 ・・・・�F

とく。ここに、は�@の解(特殊解)、は�Cの解(一般解)である。

それでは、これを�@に代入して確かめてみよう。

�@  の右辺 =+

      

         

          =�@の左辺

 

一般に、線形の関数方程式について

非同次方程式の一般解=

非同次方程式の特殊解+同次方程式の一般解

 

の関係が成り立つ。

そこで、これを利用して次の漸化式を解いてみよう(高校ではこの言葉はよくない、方程式とみていないのだから、以下の関係を満たす数列の一般項を求めよ。となる)。

     ・・・・�B

               ・・・・�C

 

●

まず、�Bの特殊解を一つ見つける。

�A  式の最後の項がだから、は1次式で置くのがよい。そこで、

   ・・・・�D

とおき、未定係数法 (を未知数とする) を用いるのである。すなわち、�D式を�Bに代入して  を得る。について整理して

を得る。したがって、

       ,   ・・・・・�E

�E式を解いて、               

よって、漸化式�Bの特殊解は    ・・・・・�F

なお、�Fは明に�Cを満たさない。だが、それでよい。

●

次に、漸化式�@の一般解を求める。�Bに対応する同次方程式は

     ・・・・�G

である。この一般解は

 ・・・・�D

●

最後に、非同次方程式の一般解=非同次方程式の特殊解+同次方程式の一般解

により

     ここに ,は任意定数である。これは初項�Cから

定めることができる。

=1  より  、

よって、

    <答え>