Algebra · real student question

數列對每個大於等於 2 的整數 n 滿足 a(n) = 4a(n-1) - 4a(n-2),且 a(0) = -2025、a(1) = 2026。已知 a(2025) = b 乘 2^c,其中 b、c 為常數,求 b/c。

Question

數列 {an}\{a_n\} 滿足

an=4an14an2(n2)a_n=4a_{n-1}-4a_{n-2}\qquad(n\ge 2)

a1=2026a_1=2026a0=2025a_0=-2025

已知 a2025=b2ca_{2025}=b\cdot 2^{c},其中 bbcc 為常數,求 bc\dfrac{b}{c}

Step-by-step solution

  1. 寫出特徵方程式。 對常係數線性遞迴式,猜 an=rna_n=r^n 可以把遞迴關係變成代數方程式。代入 an4an1+4an2=0a_n-4a_{n-1}+4a_{n-2}=0 並除以 rn2r^{n-2}

    r24r+4=0    (r2)2=0    r=2 (重根)r^2-4r+4=0\;\Longrightarrow\;(r-2)^2=0\;\Longrightarrow\;r=2\ \text{(重根)}

  2. 用重根對應的通解形式。 重根只給出一個等比解 2n2^n,所以第二個獨立解必須多帶一個因子 nn

    an=(A+Bn)2na_n=(A+Bn)\,2^{n}

    這一步最容易寫錯——寫成 A2n+B2nA\cdot 2^n+B\cdot 2^n 會塌成單一常數,無法同時滿足兩個獨立的初始值。

  3. 用兩個初始條件定係數。n=0n=0

    a0=(A+0)20=A=2025a_0=(A+0)\cdot 2^0=A=-2025

    n=1n=1

    a1=(A+B)2=2026    A+B=1013    B=1013+2025=3038a_1=(A+B)\cdot 2=2026\;\Longrightarrow\;A+B=1013\;\Longrightarrow\;B=1013+2025=3038

    所以 an=(3038n2025)2na_n=(3038n-2025)\,2^{n}。順手驗算:a2=(60762025)4=16204a_2=(6076-2025)\cdot4=16204,而直接用遞迴式得 4a14a0=4(2026)4(2025)=162044a_1-4a_0=4(2026)-4(-2025)=16204,兩者相符。

  4. 代入 n=2025n=2025 並把係數因式分解。

    a2025=(303820252025)22025=2025(30381)22025=2025303722025a_{2025}=(3038\cdot 2025-2025)\,2^{2025}=2025\,(3038-1)\,2^{2025}=2025\cdot 3037\cdot 2^{2025}

    提出公因數 20252025 再相乘,最後一步才會乾淨——若先乘開會得到 6,149,9256{,}149{,}925,接著又得把它除回 20252025

  5. 讀出 bbcc 再相除。a2025=b2ca_{2025}=b\cdot 2^{c} 比對得 b=20253037=6,149,925b=2025\cdot3037=6{,}149{,}925c=2025c=2025,所以

    bc=202530372025=3037\frac{b}{c}=\frac{2025\cdot 3037}{2025}=3037

    因數 20252025 剛好完全約掉,而這正是這題被設計出來的用意:答案就是 B1=3037B-1=3037

Answer

30373037

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