【数学B】数列08:等比数列をなす3数(等比中項)

等比数列をなす3数(等比中項) 数列
さん
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今日の板書はこれ!

等比数列をなす3数(等比中項)

■ 等比数列をなす3数の表し方

  • [1] 公比形 \(a,\ ar,\ ar^2\)(初項 \(a\)、公比 \(r\))
  • [2] 対称形 \(\frac{a}{r},\ a,\ ar\)(中央の項 \(a\)、公比 \(r\))
  • [3] 平均形 \(a,\ b,\ c\) がこの順に等比数列 \(\Leftrightarrow\) \(b^2=ac\)

\(\frac{b}{a}=\frac{c}{b}\)(比が等しい)より \(b^2=ac\)

例題1

数列 \(2,\ x,\ 5,\ \cdots\) が等比数列であるとき、\(x\) の値を求めよ。


▼ 解答

\({\color{#EE4656}{x}}^2=2\cdot 5=10\) より \(x=\pm\sqrt{10}\)

例題2

等比数列をなす3つの数があり、その積は \(216\)、和は \(26\) である。この3つの数を求めよ。


▼ 解答

3つの数を \(\frac{a}{{\color{#45A3DA}{r}}},\ a,\ a{\color{#45A3DA}{r}}\) とおく。

積が \(216\) であるから \(\frac{a}{r}\cdot a\cdot ar=a^3=216\) よって \(a=6\)

和が \(26\) であるから \(\frac{6}{r}+6+6r=26\)

両辺に \(r\) を掛けて整理すると \(3r^2-10r+3=0\) よって \((3r-1)(r-3)=0\)

\(r=\frac{1}{3},\ 3\)

いずれの場合も、3つの数は \(2,\ 6,\ 18\)

生徒
生徒

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現役教員として数学を教えている「さん」と申します。

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さん
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勉強してるのに点が取れない人は、こっちも読んでみて!

3つの数が等比数列になる条件(等比中項)

\(2,\ 6,\ 18\) は公比3の等比数列です。

まん中の \(6\) に注目すると、隣り合う項の比が等しいので \(\frac{6}{2}=\frac{18}{6}\) が成り立ち、分母を払うと \(6^2=2\cdot 18\) となります。

2と6と18は公比3の等比数列

これを文字で考えます。

0でない3つの数 \(a,\ {\color{#EE4656}{b}},\ c\) がこの順に等比数列になるとき、\(\frac{b}{a}=\frac{c}{b}\) が成り立つので、次の式が得られます。

\(b^2=ac\)

等比中項bとaとcの関係

このときの \(b\) を 等比中項 といいます。

\(a\) に 公比 \(r\) を掛けると \(b\)、\(b\) にもう一度 \(r\) を掛けると \(c\) になる関係です。

さん
さん

等差中項は「2倍=和」、等比中項は「2乗=積」。セットで覚えよう!

等比数列をなす3数の表し方

等比数列をなす3つの数を文字でおくときは、問題に合わせて次の表し方を使い分けます。

  • 公比形 \(a,\ a{\color{#45A3DA}{r}},\ a{\color{#45A3DA}{r}}^2\)(初項 \(a\)、公比 \(r\))
  • 対称形 \(\frac{a}{{\color{#45A3DA}{r}}},\ a,\ a{\color{#45A3DA}{r}}\)(中央の項 \(a\)、公比 \(r\))
  • 平均形 \({\color{#EE4656}{b}}^2=ac\)(\(a,\ b,\ c\) がこの順に等比数列)

3つの数の積が分かっているときは対称形、まん中の数の値を求めたいときは平均形が便利です。

対称形の使い方は、このあとの例題2で確認しましょう。

等比数列をなす3数の問題を解く

平均形で3数 2, x, 5 の x を求める

例題1

数列 \(2,\ x,\ 5,\ \cdots\) が等比数列であるとき、\(x\) の値を求めよ。

まん中の項は \(x\) なので、\(b^2=ac\) に当てはめると \(x^2=2\cdot 5=10\) となります。

よって \(x=\pm\sqrt{10}\) です。

\(x=\sqrt{10}\) のときは公比 \(\frac{\sqrt{10}}{2}\)、\(x=-\sqrt{10}\) のときは公比 \(-\frac{\sqrt{10}}{2}\) の等比数列になります。

公比が負のときは符号が交互に変わるので、まん中の数が負でも等比数列になります。

そのため、どちらも答えになります。

対称形で積と和から3つの数を求める

例題2

等比数列をなす3つの数があり、その積は \(216\)、和は \(26\) である。この3つの数を求めよ。

3つの数の積が分かっているので、まん中の数を \(a\)、公比を \(r\) として、対称形 \(\frac{a}{r},\ a,\ ar\) とおきます。

こうおくと、3つの数を掛けたときに \(r\) が打ち消し合って消えます。

\(\frac{a}{{\color{#45A3DA}{r}}}\cdot a\cdot a{\color{#45A3DA}{r}}=a^3=216\)

\(a^3=216\) より \(a=6\) です。

次に、和の条件に \(a=6\) を代入します。

\(\frac{6}{{\color{#45A3DA}{r}}}+6+6{\color{#45A3DA}{r}}=26\)

両辺に \(r\) を掛けて整理すると \(6r^2-20r+6=0\)、さらに2で割って \(3r^2-10r+3=0\) となります。

因数分解すると \((3r-1)(r-3)=0\) なので、\(r=\frac{1}{3},\ 3\) です。

\(r=3\) のときは \(2,\ 6,\ 18\)、\(r=\frac{1}{3}\) のときは \(18,\ 6,\ 2\) となり、どちらも同じ3つの数です。

よって、3つの数は \(2,\ 6,\ 18\) です。

さん
さん

公比形 \(a,\ ar,\ ar^2\) でおくと、積が \(a^3r^3=216\) となって文字が2つ残ってしまうよ。積が分かっているときは対称形にしよう!

練習問題

練習1

次の数列が等比数列であるとき、\(x\) の値を求めよ。

(1) \(3,\ x,\ 9,\ \cdots\)

(2) \(\frac{1}{2},\ x,\ 8,\ \cdots\)

答えを見る

(1) \(x^2=3\cdot 9=27\) より \(x=\pm 3\sqrt{3}\)

(2) \(x^2=\frac{1}{2}\cdot 8=4\) より \(x=\pm 2\)

まとめ:等比数列をなす3数(等比中項)

さん
さん

さて、今回のまとめだよ!

等比数列をなす3数(等比中項)

■ 等比数列をなす3数の表し方

  • [1] 公比形 \(a,\ ar,\ ar^2\)(初項 \(a\)、公比 \(r\))
  • [2] 対称形 \(\frac{a}{r},\ a,\ ar\)(中央の項 \(a\)、公比 \(r\))
  • [3] 平均形 \(a,\ b,\ c\) がこの順に等比数列 \(\Leftrightarrow\) \(b^2=ac\)

\(\frac{b}{a}=\frac{c}{b}\)(比が等しい)より \(b^2=ac\)

生徒
生徒

また一つ賢くなった!

さん
さん

一人だと続かない人は、こんな方法もあるよ!

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