基本形 IV (一次変換型)


IV: pan+1・an + qan+1 + ran = s, p ≠ 0
⇔ an+1 = (-ran + s)/(pan + q)

x = an = an+1 と置くと不動点方程式 px2 + (q + r)x - s = 0 を得る。 この方程式の二解を α, β と置く。
i) ∃k(ak = α) ⇒ ∀n(an = α). (数学的帰納法)
ii) α ≠ β ⇒ bn = (an - β)/(an - α) と置くと, これは等比数列になる。
iii) α = β ⇒ bn = 1/(an - α) と置くと, これは type I.


証明

i) ∃k(ak = α)
⇒ 代入して pak+1・α + qak+1 + rα = s
⇔ (αp + q)ak+1 = -αr + s.

ここでもしも αp + q = 0 ⇒ α = -q/p. このとき, 二次方程式の解と係数の関係から β = -r/p でしかも s = -qr/p であることが分かる。 これらを原式に代入すると

pan+1・an + qan+1 + ran = -qr/p

∴p2an+1・an + pqan+1 + pran + qr
= (pan+1 + r)(pan + q) = 0 … (a)

ここで (1) a1 = α ⇒ a1 = -q/p で (a) に n = 1 を代入すると (pa2 + r)(pa1 + q) = (pa2 + r)(p(-q/p) + q) = (pa2 + r)・0 = 0 で a2 が不定となり, 漸化式が数列を定めていない。 又 (2) a1 ≠ α; としても同様にして a2 = -r/p = β. (2.1) q = r ⇒ α = β だからこの場合は (1) と同様意味がない。 (2.2) q ≠ r ⇒ (a) により, 帰納法から an = β, n ≧ 2. しかしそれは a1 ≠ α, an = β ≠ α, n ≧ 2 で仮定に反する。

よって以下では αp + q ≠ 0 とする。

∴ak+1 = (-αr + s)/(αp + q).

さてここで α が不動点であることから

α2p + (q + r)α - s = α(αp + q) + αr - s = 0.

即ち (-αr + s)/(αp + q) = α. ∴ak+1 = α.

同様に pak・ak-1 + qak + rak-1 = s から ak-1 = α.

よって数学的帰納法により ∀n(an = α).

ii) α ≠ β ⇒ bn = (an - β)/(an - α) ⇔ an = (αbn - β)/(bn - 1) と置く。

もとの式に代入して

分母を払って

p(αbn+1 - β)(αbn - β) + q(αbn+1 - β)(bn - 1) + r(α bn - β)( bn+1 - 1) + s(bn+1 - 1)(bn+1 - 1)
= (α2p + (q + r)α - s)bn+1・bn - (αβp + αq + βr - s)bn+1 - (αβp + βq + αr - s)bn + (β2p + (q + r)β - s)
= - (αβp + αq + βr - s)bn+1 - (αβp + βq + αr - s)bn = 0.

ここでもしも αβp + αq + βr - s = 0 ならば

  αβp + αq + βr - s = 0
-) α2p + (q + r)α - s = 0
-----------------------
αp(β - α) + (β - α)r
= (β - α)(αp + r) = 0.

で α ≠ β より αp + r = 0 であるが, 上記に述べたように, 意味のあるのは a1 ≠ α, α ≠ β の場合だが, 上記の {bn} に関する漸化式から (αβp + βq + αr - s)bn = 0 (でしかも α βp + βq + αr - s = 0 も同時に成り立てばこれは数列 { bn} を定めないので意味がない). だから bn = 0, n ≧ 2 を導くから {bn} は初項 b1 公比 0 の等比数列と見ることにすれば良い。 従って以下では αβp + αq + βr - s ≠ 0 とする。

∴bn+1 = (-(α βp + βq + αr - s)/(α βp + αq + βr - s))bn.

従ってこれは等比数列である。

iii) an ≠ α ⇒ bn = 1/(an - α) (≠ 0) ⇔ an = 1/bn + α と置く。

原式に代入して

p(1/ bn+1 + α)(1/ bn + α) + q(1/ bn+1 + α) + r(1/ bn + α) - s
= p/(bn+1bn) + (αp + q)/bn+1 + (αp + r)/bn + α2p + (q + r)α - s
= ((αp + q)bn+1 + (αp + r)bn + p)/(bn+1 bn) = 0.

∴(αp + q) bn+1 + (αp + r)bn + p = 0 … type I.

αp + q = 0 又は αp + r = 0 の場合は, p = 0 を導いてそれは矛盾だからあり得ない。 どちらか一方だけが 0 の時は bn = 0 を導く。


注: iii) では一度も α = β ということを使っていないので, 勿論重解でないときにも使えるが, ii) の方が簡単である。


例題

(1) a1 = 2, an+1 = (2an + 1)/(an + 2).

(2) a1 = 3, an+1・an - 3an+1 - an + 4 = 0.


(1) 分母を払って整理すると an+1・an + 2an+1 - 2an - 1 = 0. これの不動点方程式は t2 + 2t - 2t - 1 = t2 - 1 = (t - 1)(t + 1) = 0. 従って不動点は t = ±1. 今 ak = -1 と置くと -ak+1 + 2ak+1 + 2- 1 = ak+1 + 1 = 0  だから ak+1 = -1. 即ち, 数学的帰納法で ∀n ≧ k(an = -1). 同様に ak-1 = -1. 即ち ∀n(an = -1). しかしこれは a1 = 2 に矛盾するので an ≠ -1. よって今

bn = (an - 1)/(an + 1) (= 1 - 2/(an + 1) ≠ 1)

と置くと, an = (bn + 1)/(1 - bn). これを与式に代入して整理すると bn+1 = (1/3)bn. これは公比 1/3 の等比数列である。 従って

bn = b1・(1/3)n-1 = ((a1 - 1)/(a1 + 1))・(1/3)n-1 = 1/3n.

∴an = (1/3n + 1)/(1 - 1/3n) = (3n + 1)/(3n - 1).

(2) 不動点方程式は t2 - 4t + 4 = (t - 2)2 = 0. 不動点は t = 2. 今  ak = 2 とすると, 全ての n で an = 2 となるが, それは a1 = 3 に矛盾するので, an ≠ 2. よって

bn = 1/(an - 2) (≠ 0) ⇔ an = 2 + 1/bn

と置くことが出来て, これを原式に代入して整理すると

bn+1 - bn - 1 = 0.

bn = b1 + (n - 1) = 1/(a1 - 2) + n - 1 = n.

∴an = 2 + 1/n.


練習

(1) a1 = 1, an+1 = 3an/(an + 1).

(2) a1 = 1, an+1・an - 4an+1 + an = 10.

(3) a1 = 1, an+1 = an/(2an + 1).


(1) an = 2・3n-1/(3n-1 + 1).

(2) an = (15 - 8・(-6)n-1)/(3 + 4・(-6)n-1).

(3) an = 1/(2n - 1).


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