東大理系数学'04年前期[4]
関数 ()を次のように定める。
以下同様に、に対して関数が定まったならば、関数を
で定める。このとき、以下の問いに答えよ。
(1) aを実数とする。を満たす実数xの個数を求めよ。 (2) aを実数とする。を満たす実数xの個数を求めよ。 (3) nを3以上の自然数とする。を満たす実数xの個数はであることを示せ。
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解答(3)は、数学的帰納法ということははっきりしていますが、少々、工夫が必要です。
,,,より、の増減表は以下の通り(3次関数の増減を参照)。
また、のグラフは右図の通り。グラフより、を満たす実数xの個数は、 ・,のとき、1個 ・のとき、2個 ・のとき、3個 ......[答] (2) とおく。を満たすzの個数は(1)で調べています。
・のとき、(1)のグラフより、を満たすzは、の範囲に1個だけあります。 (1)より、このzに対してを満たす実数xの個数は1個 ......[答]
・のとき、(1)のグラフより、を満たすzは、の範囲に1個だけあります。 (1)より、このzに対してを満たす実数xの個数は1個 ......[答]
(1)より、のときを満たす実数xは3個、のとき、を満たす実数xはと2の2個。
合わせて、を満たす実数xの個数は5個 ......[答]
(1)より、のとき、を満たす実数xはと1の2個、のとき、を満たす実数xは3個。
合わせて、を満たす実数xは5個 ......[答]
・のとき、(1)のグラフより、を満たすzは、の範囲に3個あり、各々の値を、,,とします。 より、 ()を満たす実数xはの各々について3個ずつ計9個とれます。
を満たす実数xは9個 ......[答]
(3) 「自然数」に関する証明問題なので、数学的帰納法で証明するのがラクそうです。
問題文ではとなっているのですが、のとき、というわけではありません。であっても、となる可能性があります。
従って、問題文のままでは数学的帰納法に乗せにくいのです。(2)ののときにxが9 ()個とれたということは、に限らずに、 ()としてもやはりxは個とれるだろう、と思われます。というわけで、数学的帰納法で、
「aがを満たす実数だとして、を満たす実数xの個数は個ある」 ・・・(*)という命題を証明することにします。この証明ができてからとすればよいでしょう。
また、問題文では、について示せとなっているのですが、として示しておけば、でも成り立つので、ここでは、として数学的帰納法の証明をすることにします。
・のとき、(1)より、aがを満たす実数だとして、を満たす実数xは、の範囲に個あるから、命題(*)は成り立ちます。 ・のとき命題(*)が成り立つと仮定します。つまり、aがを満たす実数だとして、を満たす実数xの個数が個あるとします。 今度は、のとき、aがを満たす実数だとして、を満たす実数xの個数を考えます。
とおくと、より、を満たす実数zは、(1)より、の範囲に3個あり、各々の値を、,,とします。 ()()を満たす実数xはの各々について個ずつ、計個あります。
よって、aがを満たす実数だとして、を満たす実数xの個数は個あり、のときも命題は成立します。 以上より、数学的帰納法により命題(*)を証明することができます。
この命題でとして、を満たす実数xの個数は、個 ......[答]
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