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数列は「番号を入れると数が出てくる箱」(一般項と 3 通りの表し方)

数列とは、番号のついた数の並びです。1 番目、2 番目、3 番目と順に数が決まっていく。

番目の数を第 項、 と書きます。数学の言い方をすると、自然数の集合から数への対応が数列です[1][2]

並びの全体をひとまとめに と書きます。 は数列そのもの、 はその 番目の数、という使い分けです。

番号を入れると数が出てくる

数列は関数によく似ています。違うのは、入力が自然数に限られる点だけ。

という数列なら、 を入れると が出ます。番号を入れると数が返る箱、と思えば十分です。

番号のほうは必ず 1 つずつ進みます。 番目の項はありません。ここが実数を入れる関数との違いです。

一般項

の式で表したものを一般項といいます。一般項が分かれば、何番目でも一発で計算できる。

項を知りたいとき、 なら とすぐ出ます。 個ぶん足し算をする必要はありません。

一般項を求める、というのが数列の問題の中心です。この先で習う公式は、ほとんどが一般項を出すための道具になります。

3 通りの表し方

同じ数列でも、書き方は 1 つではありません[1][3][4]

書き並べる
一般項で表す
漸化式で表す

書き並べる方法は、規則がひと目で見えるかわりに、第 項が分かりません。

漸化式は、前の項から次の項を作る規則です[3]。1 つずつたどれば必ず答えに届きますが、 番目までは 回の計算が要ります。

一般項がいちばん強い。ただし、いつでも簡単に求まるわけではありません。

例題 1:一般項から項を書き出す

の第 1 項から第 5 項までを求めます。

に順に代入するだけです。

並びは です。第 1 項と第 2 項が同じ値になりました。項の値がぶつかっても、数列としては別の項です。

例題 2:並びから一般項を見つける

次の 4 つの数列の一般項を求めます。

見つけ方にはこつがあります。まず差をとってみる。 なら差がずっと なので、 に定数を足した形だと当たりがつきます。

差が一定でないときは比をとります。 は比が なので、 のべき乗の形です。

差も比も一定でない は、平方数だと気づけば早い。うまくいかないときは、差の数列をもう一度調べます。

例題 3:番号のずれ

の一般項を としました。ではこの数列を第 0 項から始めるとどうなるか。

と番号を振り直すなら、一般項は に変わります。

数列そのものは同じでも、番号の振り方で式が変わる。問題文が「初項」と呼んでいるものが第 1 項なのか第 0 項なのかは、いつも確かめます[1]

高校の教科書では第 1 項から始めるのがふつうです。コンピュータの世界では から数えることが多く、フィボナッチ数列の定義でも と置く流儀があります[2]

例題 4:ある項が何番目か

の中に という項があるか調べます。

は自然数なので、 は第 項です。

同じ数列に はあるか。 から になりますが、これは より で自然数です。よって も第 項として現れます。

ではどうか。 となり が整数になりません。この数列に は現れない、と結論できます。

有限数列と無限数列

項が途中で終わる数列を有限数列、いつまでも続く数列を無限数列といいます。

有限数列では、最後の項を末項と呼び、項の個数を項数といいます。 なら初項 、末項 、項数 です。

項数を数えるときに 1 つずれやすい。第 項から第 項までの項数は 個です。 から までの差ではなく、両端を含めた個数になります。

練習問題

の第 3 項はいくつですか。

__RESULT__

を代入すると です。符号の計算でつまずきやすいところなので、順に足していくと確実になります。

数列 の一般項として正しいものはどれですか。

__RESULT__

差が なので に近い形です。 になるように調整すると になります。候補が出たら第 1 項と第 2 項で必ず検算します。

参考文献

Sequence - Wikipedia
Folge (Mathematik) - Wikipedia(ドイツ語))
Recurrence relation - Wikipedia
Paul's Online Math Notes, *Calculus II: Sequences*, Lamar University
数列は番号のついた数の並びで、番号を入れると数が返る点で関数によく似ています。違うのは入力が自然数だけということ。書き並べる・一般項で表す・漸化式で表すという 3 通りの書き方を見比べ、並びから一般項を見つける手順、番号を 0 から始めたときの式のずれ、ある数がその数列に現れるかの調べ方まで、例題と練習問題で確かめます。