フィボナッチ数列の逆数とタンジェント~東京科学大学2025第4問

東京科学大学2025年 第4問

数列 {an}\{ a_n \} を a1=a2=1an+2=an+1+an\begin{aligned} & a_1 = a_2 = 1\\ & a_{n+2} = a_{n+1} + a_n \end{aligned} により定め,数列 {bn}\{ b_n \} を tan⁡bn=1an \tan b_n = \dfrac{1}{a_n} により定める。ただし,0<bn<π20 < b_n < \dfrac{\pi}{2} とする。

(1) n≧2n \geqq 2 に対して,an+1an−1−an2a_{n+1} a_{n-1} - {a_n}^2 を求めよ。

(2) m≧1m \geqq 1(mm は整数)に対して,a2m⋅tan⁡(b2m+1+b2m+2)a_{2m} \cdot \tan (b_{2m+1} + b_{2m+2}) を求めよ。

(3) 無限級数 ∑m=0∞b2m+1\displaystyle \sum_{m=0}^{\infty} b_{2m+1} を求めよ。

この記事では先日行われた東京科学大学の入試問題の解法とその背景について解説します。

解答

(1)

証明

an+2an−an+12=(an+1+an)an−an+12=(an−an+1)an+1+an2=−an−1an+1+an2=(−1)(an+1an−1−an2)\begin{aligned} a_{n+2} a_{n} - {a_{n+1}}^2 &= (a_{n+1}+a_n) a_n - {a_{n+1}}^2\\ &= (a_{n}-a_{n+1})a_{n+1} + {a_n}^2\\ &= - a_{n-1} a_{n+1} + {a_n}^2\\ &= (-1) (a_{n+1}a_{n-1} - {a_n}^2) \end{aligned} と変形される。a3a1−a22=2−2=1a_3a_1- {a_2}^2 = 2-2 = 1 であるため, an+1an−1−an2=(−1)n−2(a3a1−a2)=(−1)n\begin{aligned} a_{n+1}a_{n-1} - {a_n}^2 &= (-1)^{n-2} (a_3a_1-a_2)\\ &= (-1)^n \end{aligned} である。

(2)

証明

a2m⋅tan⁡(b2m+1+b2m+2)=a2m⋅tan⁡b2m+1+tan⁡b2m+21−tan⁡b2m+1tan⁡b2m+m=a2m⋅1a2m+1+1a2m+21−1a2m+11a2m+2=a2m⋅a2m+1+a2m+2a2m+1a2m+2−1=a2ma2m+1+a2ma2m+2a2m+1a2m+2−1\begin{aligned} a_{2m} \cdot \tan (b_{2m+1} + b_{2m+2}) &= a_{2m} \cdot \dfrac{\tan b_{2m+1} + \tan b_{2m+2}}{1-\tan b_{2m+1} \tan b_{2m+m}}\\ &= a_{2m} \cdot \dfrac{\dfrac{1}{a_{2m+1}} + \dfrac{1}{a_{2m+2}}}{1 - \dfrac{1}{a_{2m+1}} \dfrac{1}{a_{2m+2}}}\\ &= a_{2m} \cdot \dfrac{a_{2m+1}+a_{2m+2}}{a_{2m+1}a_{2m+2} - 1}\\ &= \dfrac{a_{2m}a_{2m+1}+a_{2m}a_{2m+2}}{a_{2m+1}a_{2m+2} - 1} \end{aligned}

ここで (1) より a2ma2m+2−a2m+12=(−1)2m+1=−1a_{2m} a_{2m+2} - {a_{2m+1}}^2 = (-1)^{2m+1} = -1 である。

移項して a2ma2m+2=a2m+12−1a_{2m} a_{2m+2} = {a_{2m+1}}^2-1 である。 これを代入すると a2m⋅tan⁡(b2m+1+b2m+2)=a2ma2m+1+(a2m+12−1)a2m+1a2m+2−1=a2m+1(a2m+a2m+1)−1a2m+1a2m+2−1=a2m+1a2m+2−1a2m+1a2m+2−1=1\begin{aligned} a_{2m} \cdot \tan (b_{2m+1} + b_{2m+2}) &= \dfrac{a_{2m}a_{2m+1}+({a_{2m+1}}^2-1)}{a_{2m+1}a_{2m+2} - 1}\\ &= \dfrac{a_{2m+1} (a_{2m}+a_{2m+1})-1}{a_{2m+1}a_{2m+2} - 1}\\ &= \dfrac{a_{2m+1} a_{2m+2} - 1}{a_{2m+1}a_{2m+2} - 1}\\ &= 1 \end{aligned} と計算される。

(3)

証明

(2) より tan⁡(b2m+1+b2m+2)=1a2m \tan (b_{2m+1} + b_{2m+2}) = \dfrac{1}{a_{2m}} すなわち b2m+1+b2m+2=b2m b_{2m+1} + b_{2m+2} = b_{2m} を得る。

※ 1a2m+1,1a2m+2<1\dfrac{1}{a_{2m+1}}, \dfrac{1}{a_{2m+2}} < 1 より 0<b2m+1,b2m+2<π40 < b_{2m+1}, b_{2m+2} < \dfrac{\pi}{4} であるため,0<b2m+1+b2m+2<π20 < b_{2m+1}+b_{2m+2} < \dfrac{\pi}{2} である。

これより ∑m=0nb2m+1=b1+∑m=1n(b2m−b2m+2)=b1+b2−b2n+2\begin{aligned} \sum_{m=0}^{n} b_{2m+1} &= b_1 + \sum_{m=1}^{n} (b_{2m}-b_{2m+2})\\ &= b_1 + b_2 - b_{2n+2} \end{aligned} である。

a1=a2=1a_1 = a_2 = 1 より b1=b2=π4b_1 = b_2 = \dfrac{\pi}{4} であるため ∑m=0nb2m+1=π2−b2n+2 \sum_{m=0}^{n} b_{2m+1} = \dfrac{\pi}{2} - b_{2n+2} である。

lim⁡n→∞an=∞\displaystyle \lim_{n \to \infty} a_n = \infty であるため, lim⁡n→∞tan⁡bn=lim⁡n→∞1an=0 \lim_{n \to \infty} \tan b_n = \lim_{n \to \infty} \dfrac{1}{a_n} = 0 である。ゆえに lim⁡n→∞bn=0\displaystyle \lim_{n \to \infty} b_n = 0

よって ∑m=0∞b2m+1=π2 \sum_{m=0}^{\infty} b_{2m+1} = \dfrac{\pi}{2} である。

問題背景と少々異なるアプローチ

この問題は arctan⁡\arctan(tan⁡\tan の逆関数)とフィボナッチ数列に関する出題です。

ポイントはフィボナッチ数列に関する等式 an+1an−1−an2=(−1)n a_{n+1}a_{n-1} - {a_n}^2 = (-1)^n でしょう。

これにより 1a2m+1=a2m+1a2m+12=a2m+11+a2ma2m+2=a2m+2−a2m1+a2ma2m+2\begin{aligned} \dfrac{1}{a_{2m+1}} &= \dfrac{a_{2m+1}}{{a_{2m+1}}^2}\\ &= \dfrac{a_{2m+1}}{1+a_{2m}a_{2m+2}}\\ &= \dfrac{a_{2m+2}-a_{2m}}{1+a_{2m}a_{2m+2}} \end{aligned} と変形できます。

tan⁡\tan の加法定理 tan⁡(x+y)=tan⁡x+tan⁡y1−tan⁡xtan⁡y\tan (x+y) = \dfrac{\tan x + \tan y}{1- \tan x \tan y} の辺々に arctan⁡\arctan を当てはめると x+y=arctan⁡(tan⁡x+tan⁡y1−tan⁡xtan⁡y) x+y = \arctan \left( \dfrac{\tan x + \tan y}{1- \tan x \tan y} \right) となります。x=arctan⁡px = \arctan p,y=arctan⁡qy = \arctan q とおきなおすと arctan⁡p+arctan⁡q=arctan⁡p+q1−pq \arctan p + \arctan q = \arctan \dfrac{p+q}{1-pq} という arctan⁡\arctan の加法定理が得られます。

1a2m+1=a2m+2−a2m1+a2ma2m+2 \dfrac{1}{a_{2m+1}} = \dfrac{a_{2m+2}-a_{2m}}{1+a_{2m}a_{2m+2}} と見比べることで arctan⁡1a2m+1=arctan⁡a2m+2−arctan⁡a2m⋯⋯(∗) \arctan \dfrac{1}{a_{2m+1}} = \arctan a_{2m+2} - \arctan a_{2m} \quad \cdots \cdots (\ast) が得られます。

ゆえに ∑m=0∞b2m+1=lim⁡m→∞arctan⁡a2m+2−arctan⁡a2+arctan⁡a1=π2−π4+π4=π2\begin{aligned} \sum_{m=0}^{\infty} b_{2m+1} &= \lim_{m \to \infty} \arctan a_{2m+2} \\ &\qquad - \arctan a_2 + \arctan a_1\\ &= \dfrac{\pi}{2} - \dfrac{\pi}{4} + \dfrac{\pi}{4}\\ &= \dfrac{\pi}{2} \end{aligned} と計算されます。

なお,(∗)(\ast) で tan⁡x=π2−tan⁡1x\tan x = \dfrac{\pi}{2} - \tan \dfrac{1}{x} に注意すると arctan⁡1a2m+1=arctan⁡1a2m−arctan⁡1a2m+2 \arctan \dfrac{1}{a_{2m+1}} = \arctan \dfrac{1}{a_{2m}} - \arctan \dfrac{1}{a_{2m+2}} (つまり b2m+1+b2m+2=b2mb_{2m+1} + b_{2m+2} = b_{2m})が得られます。

このようにフィボナッチ数列の性質と arctan⁡\arctan の加法定理を融合させることにより本問の結論が得られるのです。arctan⁡\arctan は高校範囲ではないため,適切に調整した誘導が (2) ということになります。

余談ですが,フィボナッチ数列の等式を用いると次のような無限級数も計算できます。

∑n=1∞(−1)n−1anan+1=∑n=1∞anan+2−an+12anan+1=∑n=1∞(an+2an+1−an+1an)=lim⁡n→∞(an+2an+1−a2a1)=1+52−1=5−12\begin{aligned} \sum_{n=1}^{\infty} \dfrac{(-1)^{n-1}}{a_n a_{n+1}} &= \sum_{n=1}^{\infty} \dfrac{a_n a_{n+2} - {a_{n+1}}^2}{a_n a_{n+1}} \\ &= \sum_{n=1}^{\infty} \left( \dfrac{a_{n+2}}{a_{n+1}} - \dfrac{a_{n+1}}{a_n} \right)\\ &= \lim_{n \to \infty} \left( \dfrac{a_{n+2}}{a_{n+1}} - \dfrac{a_2}{a_1} \right)\\ &= \dfrac{1+\sqrt{5}}{2} - 1\\ &= \dfrac{\sqrt{5}-1}{2} \end{aligned}

3年ほど前からフィボナッチ数列の逆数和にまつわる問題が医科単科大学の入試で出題されるだろうと予想していましたが,まさか東京科学大学とは思っていませんでした。医科歯科と東工大が合併した影響が大きく出ている問題だと思います。