「二項定理」について
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私立 東京都市大学 2013年 第3問$n$を自然数とする．次の問に答えよ．
(1)二項定理を用いて，$\displaystyle \sum_{k=0}^n \comb{n}{k}=2^n$が成り立つことを示せ．
(2)$\displaystyle a_k=\frac{1}{k!} (0 \leqq k \leqq n)$に対し，$\displaystyle \sum_{k=0}^n a_ka_{n-k}$を求めよ．
(1)二項定理を用いて，$\displaystyle \sum_{k=0}^n \comb{n}{k}=2^n$が成り立つことを示せ．
(2)$\displaystyle a_k=\frac{1}{k!} (0 \leqq k \leqq n)$に対し，$\displaystyle \sum_{k=0}^n a_ka_{n-k}$を求めよ．
国立 福井大学 2012年 第1問$n$を自然数とするとき，以下の問いに答えよ．
(1)二項定理を用いて，$\displaystyle \sum_{k=0}^n \comb{n}{k}=\comb{n}{0}+\comb{n}{1}+\cdots +\comb{n}{n-1}+\comb{n}{n}$の値が$2^n$に等しいことを示せ．
(2)複素数$z$が$z^2-2z+2=0$をみたすとき，$z$および$z^{4n}$の値を求めよ．
(3)$\displaystyle \sum_{k=0}^{2n}(-1)^k \cdot \comb{4n}{2k}=\comb{4n}{0}-\comb{4n}{2}+\cdots -\comb{4n}{4n-2}+\comb{4n}{4n}$の値が$(-4)^n$に等しいことを示せ．
(1)二項定理を用いて，$\displaystyle \sum_{k=0}^n \comb{n}{k}=\comb{n}{0}+\comb{n}{1}+\cdots +\comb{n}{n-1}+\comb{n}{n}$の値が$2^n$に等しいことを示せ．
(2)複素数$z$が$z^2-2z+2=0$をみたすとき，$z$および$z^{4n}$の値を求めよ．
(3)$\displaystyle \sum_{k=0}^{2n}(-1)^k \cdot \comb{4n}{2k}=\comb{4n}{0}-\comb{4n}{2}+\cdots -\comb{4n}{4n-2}+\comb{4n}{4n}$の値が$(-4)^n$に等しいことを示せ．
私立 関西学院大学 2012年 第1問次の文章中の$[ ]$に適する式または数値を記入せよ．
(1)$xy$平面における放物線
\[ y=x^2-4x+1 \]
は放物線$y=x^2$を$x$軸方向に$[ア]$，$y$軸方向に$[イ]$だけ平行移動することによって得られる．関数
\[ y=x^2-4x+1 \quad (a \leqq x \leqq a+1) \]
の最小値を$m$とおく．ただし，$a$は実数である．$a<1$の場合は$m=[ウ]$であり，$1 \leqq a \leqq 2$の場合は$m=[エ]$であり，$a>2$の場合は$m=[オ]$である．
(2)${(2x^2-xy-3y^2)}^5$の展開式における$x^5y^5$の係数を求めよう．二項定理により
\[ \begin{array}{lll}
{(2x^2-xy-3y^2)}^5 &=& \displaystyle\left\{ (2x^2-xy)-3y^2 \right\}^5 \\
&=& (2x^2-xy)^5+5(2x^2-xy)^4(-3y^2) \\
& & +[カ](2x^2-xy)^3(-3y^2)^2+10(2x^2-xy)^2(-3y^2)^3 \\
& & +5(2x^2-xy)(-3y^2)^4 +(-3y^2)^5
\end{array} \]
が成り立つ．$(2x^2-xy)^5$の展開式における$x^5y^5$の係数は$[キ]$であり，$5(2x^2-xy)^4(-3y^2)$の展開式における$x^5y^5$の係数は$[ク]$である．さらに，$[カ](2x^2-xy)^3(-3y^2)^2$の展開式における$x^5y^5$の係数は$[ケ]$である．また，$10(2x^2-xy)^2(-3y^2)^3+5(2x^2-xy)(-3y^2)^4+(-3y^2)^5$の展開式における$x^5y^5$の係数は$0$である．よって${(2x^2-xy-3y^2)}^5$の展開式における$x^5y^5$の係数は$[コ]$である．
(1)$xy$平面における放物線
\[ y=x^2-4x+1 \]
は放物線$y=x^2$を$x$軸方向に$[ア]$，$y$軸方向に$[イ]$だけ平行移動することによって得られる．関数
\[ y=x^2-4x+1 \quad (a \leqq x \leqq a+1) \]
の最小値を$m$とおく．ただし，$a$は実数である．$a<1$の場合は$m=[ウ]$であり，$1 \leqq a \leqq 2$の場合は$m=[エ]$であり，$a>2$の場合は$m=[オ]$である．
(2)${(2x^2-xy-3y^2)}^5$の展開式における$x^5y^5$の係数を求めよう．二項定理により
\[ \begin{array}{lll}
{(2x^2-xy-3y^2)}^5 &=& \displaystyle\left\{ (2x^2-xy)-3y^2 \right\}^5 \\
&=& (2x^2-xy)^5+5(2x^2-xy)^4(-3y^2) \\
& & +[カ](2x^2-xy)^3(-3y^2)^2+10(2x^2-xy)^2(-3y^2)^3 \\
& & +5(2x^2-xy)(-3y^2)^4 +(-3y^2)^5
\end{array} \]
が成り立つ．$(2x^2-xy)^5$の展開式における$x^5y^5$の係数は$[キ]$であり，$5(2x^2-xy)^4(-3y^2)$の展開式における$x^5y^5$の係数は$[ク]$である．さらに，$[カ](2x^2-xy)^3(-3y^2)^2$の展開式における$x^5y^5$の係数は$[ケ]$である．また，$10(2x^2-xy)^2(-3y^2)^3+5(2x^2-xy)(-3y^2)^4+(-3y^2)^5$の展開式における$x^5y^5$の係数は$0$である．よって${(2x^2-xy-3y^2)}^5$の展開式における$x^5y^5$の係数は$[コ]$である．
国立 岩手大学 2011年 第3問次の文章について，後の問いに答えよ．\\ \\
\quad 地球温暖化問題に関して，二酸化炭素の排出量の削減が叫ばれている．2008年に日本で開かれたサミットでは，42年後の2050年までに，年当たりの排出量を2008年のときと比較して50$\%$以上削減する，という目標が提言された．この目標を達成するために，前年比同率で削減することを考える．\\
\quad 2008年における排出量を$a \ (a>0)$とし，毎年，前年の$d \times 100 \% \ (0<d<1)$を減らすこととする．2008年の1年後の2009年の排出量の目標は[\bf ア]である．2008年から$n$年後の年間排出量を$a_n$とおくと，$a_n=[イ]$である．目標を達成するには$\displaystyle a_{42} \leqq \frac{a}{2}$，つまり，$d$を用いた式で表せば，
\[ [ウ] \leqq \frac{1}{2} \]
が成り立てばよい．両辺の逆数をとれば$\displaystyle \frac{1}{[ウ]} \geqq 2$となる．ところで，不等式
\[ (1+d)^{42} < \frac{1}{[ウ]} \ \, \cdots\cdots \maru{1} \]
が成り立つことがわかる．従って，
\[ (1+d)^{42} \geqq 2 \qquad\qquad \cdots\cdots \maru{2} \]
を満たす$d$を見つければ目標を達成することは明らかである．不等式\maru{2}の左辺は，二項定理により
\[ (1+d)^{42} =\sum_{r=0}^{42} [エ] \]
と表される．これを用いると，\underline{$d=0.02$は不等式\maru{2}を満たす}ことがわかる．つまり，毎年$2\%$の削減を2009年から行ったとすれば，42年後の2050年の排出量は2008年の$50\%$未満となることがわかった．
(1)文章中の[ア]～[エ]に当てはまる式を答えよ．
(2)$0<d<1$とするとき，不等式\maru{1}を証明せよ．
(3)下線部の命題を証明せよ．
(4)毎年$2\%$の削減を行った場合でも，42年間の排出量の合計は，削減率を0のまま2008年と同じ排出量を同じ期間続けたときの排出量の合計の$\displaystyle \frac{7}{12}$倍より大きくなることを証明せよ．
\quad 地球温暖化問題に関して，二酸化炭素の排出量の削減が叫ばれている．2008年に日本で開かれたサミットでは，42年後の2050年までに，年当たりの排出量を2008年のときと比較して50$\%$以上削減する，という目標が提言された．この目標を達成するために，前年比同率で削減することを考える．\\
\quad 2008年における排出量を$a \ (a>0)$とし，毎年，前年の$d \times 100 \% \ (0<d<1)$を減らすこととする．2008年の1年後の2009年の排出量の目標は[\bf ア]である．2008年から$n$年後の年間排出量を$a_n$とおくと，$a_n=[イ]$である．目標を達成するには$\displaystyle a_{42} \leqq \frac{a}{2}$，つまり，$d$を用いた式で表せば，
\[ [ウ] \leqq \frac{1}{2} \]
が成り立てばよい．両辺の逆数をとれば$\displaystyle \frac{1}{[ウ]} \geqq 2$となる．ところで，不等式
\[ (1+d)^{42} < \frac{1}{[ウ]} \ \, \cdots\cdots \maru{1} \]
が成り立つことがわかる．従って，
\[ (1+d)^{42} \geqq 2 \qquad\qquad \cdots\cdots \maru{2} \]
を満たす$d$を見つければ目標を達成することは明らかである．不等式\maru{2}の左辺は，二項定理により
\[ (1+d)^{42} =\sum_{r=0}^{42} [エ] \]
と表される．これを用いると，\underline{$d=0.02$は不等式\maru{2}を満たす}ことがわかる．つまり，毎年$2\%$の削減を2009年から行ったとすれば，42年後の2050年の排出量は2008年の$50\%$未満となることがわかった．
(1)文章中の[ア]～[エ]に当てはまる式を答えよ．
(2)$0<d<1$とするとき，不等式\maru{1}を証明せよ．
(3)下線部の命題を証明せよ．
(4)毎年$2\%$の削減を行った場合でも，42年間の排出量の合計は，削減率を0のまま2008年と同じ排出量を同じ期間続けたときの排出量の合計の$\displaystyle \frac{7}{12}$倍より大きくなることを証明せよ．
私立 北海道医療大学 2011年 第3問二項定理と二項係数を用いて，以下の問に答えよ．ただし，$m$と$n$は正の整数である．
(1)${(x+1)}^m$の展開式における$x^r$の係数を求めよ．ただし，$r$は整数で，$0 \leqq r \leqq m$とする．
(2)${(x^2+1)}^n$の展開式における$x^{2s}$の係数を求めよ．ただし，$s$は整数で，$0 \leqq s \leqq n$とする．
(3)$m$を$2$より大きな正の整数，$n$を正の整数とするとき，${(x+1)}^m{(x^2+1)}^n$の展開式における$x^3$の係数を$m$と$n$を用いて表せ．
(4)$m$を$2$より大きな正の整数，$n$を正の整数とするとき，${(x+1)}^m{(x^2+1)}^n$の展開式における$x^3$の係数が$30$であるという．
(i) 正の整数$m$および$n$の値を求めよ．
(ii) ${(x+1)}^m{(x^2+1)}^n$の展開式における$x^5$の係数の値を求めよ．
(1)${(x+1)}^m$の展開式における$x^r$の係数を求めよ．ただし，$r$は整数で，$0 \leqq r \leqq m$とする．
(2)${(x^2+1)}^n$の展開式における$x^{2s}$の係数を求めよ．ただし，$s$は整数で，$0 \leqq s \leqq n$とする．
(3)$m$を$2$より大きな正の整数，$n$を正の整数とするとき，${(x+1)}^m{(x^2+1)}^n$の展開式における$x^3$の係数を$m$と$n$を用いて表せ．
(4)$m$を$2$より大きな正の整数，$n$を正の整数とするとき，${(x+1)}^m{(x^2+1)}^n$の展開式における$x^3$の係数が$30$であるという．
(i) 正の整数$m$および$n$の値を求めよ．
(ii) ${(x+1)}^m{(x^2+1)}^n$の展開式における$x^5$の係数の値を求めよ．
公立 横浜市立大学 2011年 第1問以下の問いに答えよ．
(1)関数
\[ f(x)=x \sin^2 x \quad (0 \leqq x \leqq \pi) \]
の最大値を与える$x$を$\alpha$とするとき，$f(\alpha)$を$\alpha$の分数式で表すと$[$1$]$となる．
(2)多項式
\[ a^4+b^4+c^4-2a^2b^2-2a^2c^2-2b^2c^2 \]
を因数分解すると$[$2$]$となる．
(3)$N$を与えられた自然数とし，$f(x)$および$g(x)$を区間$(-\infty,\ \infty)$で$N$回以上微分可能な関数とする．$f(x)$と$g(x)$から定まる関数を次のように定義する．$t$を与えられた実数として，
\[ \begin{array}{lll}
(f *_t g)(x) &=& \sum_{k=0}^N \displaystyle\frac{t^k}{2^k k!} f^{(k)}(x)g^{(k)}(x) \\
&=& \displaystyle f(x)g(x)+\frac{t}{2}f^\prime(x)g^\prime(x)+\cdots +\frac{t^N}{2^N N!} f^{(N)}(x)g^{(N)}(x)
\end{array} \]
とおく．ここに，$f^{(k)}(x)$は$f(x)$の第$k$次導関数である（$g^{(k)}(x)$も同様である）．$a$を実数，$n$を$N$以下の自然数とする．$f(x)=e^{2ax}$，$g(x)=x^n$にたいし，二項定理を用いて$(f *_t g)(x)$を計算すると$[$3$]$となる．
(4)関係式
\[ f(x)+\int_0^x f(t)e^{x-t} \, dt=\sin x \]
をみたす微分可能な関数$f(x)$を考える．$f(x)$の導関数$f^\prime(x)$を求めると，$f^\prime(x)=[$4$]$となる．$f(0)=[$5$]$であるから$f(x)=[$6$]$となる．
(1)関数
\[ f(x)=x \sin^2 x \quad (0 \leqq x \leqq \pi) \]
の最大値を与える$x$を$\alpha$とするとき，$f(\alpha)$を$\alpha$の分数式で表すと$[$1$]$となる．
(2)多項式
\[ a^4+b^4+c^4-2a^2b^2-2a^2c^2-2b^2c^2 \]
を因数分解すると$[$2$]$となる．
(3)$N$を与えられた自然数とし，$f(x)$および$g(x)$を区間$(-\infty,\ \infty)$で$N$回以上微分可能な関数とする．$f(x)$と$g(x)$から定まる関数を次のように定義する．$t$を与えられた実数として，
\[ \begin{array}{lll}
(f *_t g)(x) &=& \sum_{k=0}^N \displaystyle\frac{t^k}{2^k k!} f^{(k)}(x)g^{(k)}(x) \\
&=& \displaystyle f(x)g(x)+\frac{t}{2}f^\prime(x)g^\prime(x)+\cdots +\frac{t^N}{2^N N!} f^{(N)}(x)g^{(N)}(x)
\end{array} \]
とおく．ここに，$f^{(k)}(x)$は$f(x)$の第$k$次導関数である（$g^{(k)}(x)$も同様である）．$a$を実数，$n$を$N$以下の自然数とする．$f(x)=e^{2ax}$，$g(x)=x^n$にたいし，二項定理を用いて$(f *_t g)(x)$を計算すると$[$3$]$となる．
(4)関係式
\[ f(x)+\int_0^x f(t)e^{x-t} \, dt=\sin x \]
をみたす微分可能な関数$f(x)$を考える．$f(x)$の導関数$f^\prime(x)$を求めると，$f^\prime(x)=[$4$]$となる．$f(0)=[$5$]$であるから$f(x)=[$6$]$となる．