早大理工数学'24年[2]

nを自然数とし、数1,2,4を重複を許してn個並べてできるn桁の自然数全体を考える。そのうちで3の倍数となるものの個数を,3で割ると1余るものの個数を,3で割ると2余るものの個数をとする。
(1) を,を用いて表せ。同様に、を,を用いて、を,を用いて表せ。
(2) をnとを用いて表せ。
(3) をnとを用いて表せ。
(4) ()をmを用いて表せ。


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解答 自然数を10進法で表すとき、各桁の数字の和が3で割り切れればその自然数は3の倍数であり、各桁の数字の和が3で割って1余ればその自然数も3で割ると1余り、各桁の数字の和が3で割って2余ればその自然数も3で割ると2余る、という事実(整数を参照)を使って考えます、難しいわけではないので、登場する数が大きくても惑わされないようにしましょう。

(1) 3で割り切れるn桁の自然数(個)の桁めに1,4を付加すると、3で割ると1余る桁の自然数が個できます。
3で割り切れるn桁の自然数(個)の桁めに2を付加すると、3で割ると2余る桁の自然数が個できます。
3で割ると1余るn桁の自然数(個)の桁めに1,4を付加すると、3で割ると2余る桁の自然数が個できます。
3で割ると1余るn桁の自然数(個)の桁めに2を付加すると、3で割りきれる桁の自然数が個できます。
3で割ると2余るn桁の自然数(個)の桁めに1,4を付加すると、3で割りきれる桁の自然数が個できます。
3で割ると2余るn桁の自然数(個)の桁めに2を付加すると、3で割ると1余る桁の自然数が個できます。
よって、求める
連立漸化式は、
,, ......[答] ・・・(*)
3式を辺々加え合わせると、
数列は、公比3:初項の等比数列です。
1桁の自然数、1,2,4で、3で割り切れるものは個、3で割ると1余るものは個、3で割ると2余るものは個あります。
よって、 ・・・�@

(2) (1)の結果(*)を用いて、
ここに(*)を代入して、
�@より、,これを代入し、
......[答] ・・・�A
同様にして、
 ・・・�B
 ・・・�C

(3) �Aより、
�Cより、
�Bより、

......[答] ・・・�D

(4) �Dにおいて、として、
 ・・・�E
より、 ()とおくと,,また、より、�Eを書き換えると、
 (2項間漸化式を参照)
で割ると、であって、
()とおくと、で、
 ・・・�F
 ・・・�G ∴
�F−�Gより、
よって、数列は、公比:,初項:である等比数列。
∴
∴ ......[答]



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