東大理系数学'11年前期[2]

実数xの小数部分を、かつが整数となる実数yのこととし、これを記号で表す。実数aに対して、無限数列の各項 ()を次のように順次定める。
(i)
(ii)
(1) のとき、数列を求めよ。
(2) 任意の自然数nに対してとなるような以上の実数aをすべて求めよ。
(3) aが有理数であるとする。aを整数pと自然数qを用いてと表すとき、q以上のすべての自然数nに対して、であることを示せ。


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解答 とっつきにくそうな問題ですが、手を付けてみればそれほどでもない、という問題です。(3)は割り算の余りを使って考えます。なお、整数を参照してください。

(1) より、
のとき、,とみて、(i)より、
(ii)でとして、
より、
であれば、
これより、すべての自然数
nについて、

(2) (1)のがaの1つの候補です。
のとき、です。(i)よりですがなので、
 ・・・�@
のとき、ですが、(ii)より、
pを整数として、とすると、,よって、
∴
 ・・・�A
よりなので、�@より、�Aの複号は+をとり、
 ・・・�B
また、�@より、

 ・・・�C
右側の不等号で、,より
�Cの各辺を
2乗すると、
左側の不等号より、
これより、となりますが、これを満たす整数pは、
�Bでとして、

これより、
�Bでとして、
これは、
(1)より条件を満たします。
以上より、
......[答]
追記.�Aからを導くところは、2次方程式の解の配置を考えて、以下のようにすることもできます。
aの2次方程式は、より、正の解と負の解をもちます。正の解がの範囲に存在するために、 かつ
∴
という条件がなければ、�Bで、となるすべての実数aを与えます。

(3) pをqで割るときの商をk (k:整数),余りをj ()とします。です。
ここで、,とします。です。
なので、
(i)より、
ここで、ならば
(であったとしても)、,(ii)より、以降、
特に、なら,となります。
以後として、ならば、
をで割るときの商を
m (m:整数),余りを ()とします。です。

なので、
以降、のとき、として、
ここで、であれば
(であったとしても)、,(ii)より、以降、
特に、ならとなり、,となります。
かつかつ・・・かつであれば、をで割るときの商を
(:整数),余りを ()とします。です。

より、
こうして、数列,を作ると、
,,・・・,,qはいずれも0以上の整数なので、であれば、,
以降、
以上より、
q以上のすべての自然数nに対して、


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