第2問
次の に適する式または数値を、解答用紙の同じ記号のついた
の中に記入せよ。
n=0,1,2,・・・に対して
$\small\sf{\begin{align*} \sf a_n=\int_0^{\pi /2}\sin^nx\ dx\end{align*}}$
とおくと、
$\small\sf{\begin{align*} \sf a_0=\int_0^{\pi /2}\ dx=\frac{\pi}{2}\ \ ,\ \ a_1=\int_0^{\pi /2}\sin x\ dx\end{align*}}$ = ア
である。
n≧2のとき、$\small\sf{\begin{align*} \sf \left(\sin^{n-1}x\right)'\end{align*}}$ をnとsinx、cosxの式で表すと、
$\small\sf{\begin{align*} \sf \left(\sin^{n-1}x\right)'\end{align*}}$ = イ
$\small\sf{\begin{align*} \sf \left(\cos x\sin^{n-1}x\right)'\end{align*}}$ はcosxを使わずにnとsinxのみの式で表せて、
$\small\sf{\begin{align*} \sf \left(\cos x\sin^{n-1}x\right)'\end{align*}}$ = ウ
となる。この両辺を0から $\small\sf{\begin{align*} \sf \frac{\pi}{2}\end{align*}}$ まで積分すると、
an= エ an-2 ( エ はnの式) ・・・・・・(*)
が得られる。a0とa1の値が分かっているので、(*)を用いればan (n≧2)の
値はすべて計算できる。
例えば、a3= オ 、a4 = カ である。
また、an= エ an-2の両辺にan-1をかけて bn=nan-1anとおくと、数列
{bn}がみたす漸化式 キ が得られる。a0とa1の値からb1の値が分かり、
漸化式よりn≧1のとき一般項は bn= ク である。
0≦x≦$\small\sf{\begin{align*} \sf \frac{\pi}{2}\end{align*}}$ で0≦sinx≦1なので、sinn+1x≦sinnx≦sinn-1xであり、
an+1≦an≦an-1が成り立つ。各辺にnanをかけて
ケ bn+1≦nan2≦bn ( ケ はnの式)
が分かる。以上より、
$\small\sf{\begin{align*} \sf \lim_{n\rightarrow\infty}\sqrt{n}\ a_n\end{align*}}$ = コ
である。
--------------------------------------------
【解答】
ア 1 イ $\scriptsize\sf{\begin{align*} \sf \left(n-1\right)\sin^{n-2}x\cos x\end{align*}}$ ウ $\scriptsize\sf{\begin{align*} \sf \left(n-1\right)\sin^{n-2}x-n\sin ^nx\end{align*}}$
エ $\scriptsize\sf{\begin{align*} \sf \frac{n-1}{n}\end{align*}}$ オ $\scriptsize\sf{\begin{align*} \sf \frac{2}{3}\end{align*}}$ カ $\scriptsize\sf{\begin{align*} \sf \frac{3}{16}\pi\end{align*}}$ キ $\scriptsize\sf{\begin{align*} \sf b_{n}=b_{n-1}\end{align*}}$
ケ $\scriptsize\sf{\begin{align*} \sf \frac{n}{n+1}\end{align*}}$ コ $\scriptsize\sf{\begin{align*} \sf \sqrt{\frac{\pi}{2}}\end{align*}}$
【解説】
ア
$\scriptsize\sf{\begin{align*} \sf a_1=\int_0^{\pi /2}\sin x\ dx=\bigg[-\cos x\bigg]_0^{\pi /2}=\underline{\sf 1}\end{align*}}$
イ
$\scriptsize\sf{\begin{align*} \sf \left(\sin^{n-1}x\right)'=\left(n-1\right)\sin^{n-2}x\cdot\left(\sin x\right)'=\underline{\sf \left(n-1\right)\sin^{n-2}x\cos x}\end{align*}}$
ウ
$\scriptsize\sf{\begin{align*}\sf \left(\cos x\sin^{n-1}x\right)'&=\sf -\sin x\cdot\sin^{n-1}x+\cos x\cdot\left(n-1\right)\sin^{n-2}x\cdot x\\ &=\sf -\sin^nx+\left(n-1\right)\left(1-\sin^2x\right)\sin^{n-2}x\\ &=\sf \underline{\sf \left(n-1\right)\sin^{n-2}x-n\sin^nx}\end{align*}}$
エ
$\scriptsize\sf{\begin{align*} \sf \int_0^{\pi /2}\left(\cos x\sin^{n-1}x\right)'dx=\int_0^{\pi /2}\bigg\{\left(n-1\right)\sin^{n-2}x-n\sin^nx\bigg\}dx\end{align*}}$
$\scriptsize\sf{\begin{align*} \sf \ \ \Leftrightarrow\ \ \bigg[\cos x\sin^{n-1}x\bigg]_0^{\pi /2}=\left(n-1\right)\int_0^{\pi /2}\sin^{n-2}x\ dx-n\int_0^{\pi /2}\sin^nx\ dx\end{align*}}$
$\scriptsize\sf{\begin{align*} \sf \ \ \Leftrightarrow\ \ 0=\left(n-1\right)a_{n-2}-na_n\end{align*}}$
$\scriptsize\sf{\begin{align*} \sf \ \ \Leftrightarrow\ \ a_n=\underline{\sf \frac{n-1}{n}\ a_{n-2}}\end{align*}}$
オ、カ
$\scriptsize\sf{\begin{align*} \sf a_2=\frac{1}{2}\ a_0=\frac{\pi}{4}\ \ ,\ \ a_3=\frac{2}{3}\ a_1=\underline{\sf \frac{2}{3}}\ \ ,\ \ a_4=\frac{3}{4}\ a_2=\underline{\sf \frac{3}{16}\pi}\end{align*}}$
キ
$\scriptsize\sf{\begin{align*}\sf a_na_{n-1}=\frac{n-1}{n}a_{n-1}a_{n-2}&\ \ \Leftrightarrow\ \ \sf na_{n-1}a_n=\left(n-1\right)a_{n-2}a_{n-1}\\ &\ \ \Leftrightarrow\ \ \sf \underline{\sf b_n=b_{n-1}}\end{align*}}$
ク
$\scriptsize\sf{\begin{align*} \sf b_n=b_1=1\cdot a_0a_1=\underline{\sf \frac{\pi}{2}}\end{align*}}$
ケ
$\scriptsize\sf{\begin{align*}\sf a_{n+1}\leqq a_n\leqq a_{n-1}&\ \ \Leftrightarrow\ \ \sf na_{n}a_{n+1}\leqq a_{n}^{\ 2}\leqq na_{n-1}a_{n}\\ &\ \ \Leftrightarrow\ \ \sf \underline{\sf \frac{n}{n+1}\ b_{n+1}\leqq na_n^{\ 2}\leqq b_n} \end{align*}}$
コ
ク、ケより、
$\scriptsize\sf{\begin{align*} \sf \frac{n}{n+1}\cdot\frac{\pi}{2}\leqq na_n^{\ 2}\leqq \frac{\pi}{2}\end{align*}}$
であり、
$\scriptsize\sf{\begin{align*} \sf \lim_{n\rightarrow\infty}\frac{n}{n+1}=\lim_{n\rightarrow\infty}\frac{1}{1+\frac{1}{n}}=1\end{align*}}$
なので、はさみうちの原理より
$\scriptsize\sf{\begin{align*} \sf \lim_{n\rightarrow\infty}na_n^{\ 2}=\frac{\pi}{2}\ \ \Leftrightarrow\ \ \lim_{n\rightarrow\infty}\sqrt{n}\ a_n=\underline{\sf \sqrt{\frac{\pi}{2}}\ \ (>0)}\end{align*}}$
エさえクリアできれば最後までたどり着きそうです。
テーマ:数学 - ジャンル:学問・文化・芸術
- 2018/12/08(土) 01:06:00|
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