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平均をとり続ける
難易度:
★★★
害鳥
2016/01/19 14:59
正方形ABCDの4つの頂点にそれぞれ実数が1個ずつ書かれています.ここに次の操作を無限に行います.
【操作】現在ある中で最小の正方形に注目し,その4辺の中点にはその両端の頂点に書かれている数の平均値をそれぞれ書き込み,それらを結んで新たな小正方形を作る.
この操作によって新たに書き込まれる数は,極限的にどのようになるか答えて下さい.
【
>>6
】
回答募集は終了しました。
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▽
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No.1
ヒミツ
Yss
2016/01/19 17:13
まじめに答えるとこれかな
害鳥
結果は正解です
よろしければ証明の方もどうぞ
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△
▽
▼
No.2
ヒミツ
Yss
2016/01/19 17:13
ついでにボケてみる
害鳥
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▽
▼
No.3
ヒミツ
j
2016/01/19 19:48
出題お疲れ様です。
数学はまったく駄目なので直感勝負
害鳥
回答ありがとうございます!
直感通り,正解です
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No.4
ヒミツ
空気読めない人
2016/01/20 17:09
証明はできないけど多分
害鳥
はい,その通りです
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No.5
ヒミツ
豆腐
2016/01/24 14:21
久しぶりだよ
(誰かわかるよねww
害鳥
答えは正解ですー.
はて,どなた?
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△
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No.6
害鳥
2016/01/26 13:35
解答です.
最初の正方形に書かれている4つの数をa[0],b[0],c[0],d[0]とし,その総和a[0]+b[0]+c[0]+d[0]をSとします.
n回目の操作で書かれる4つの数をそれぞれa[n],b[n],c[n],d[n]とすると,次の漸化式を満たすことができます(満たすようにa,b,c,dを配置することができるということです).
a[n+1]=(a[n]+b[n])/2
b[n+1]=(b[n]+c[n])/2
c[n+1]=(c[n]+d[n])/2
d[n+1]=(d[n]+a[n])/2
この4つの式を足すと
a[n+1]+b[n+1]+c[n+1]+d[n+1]=a[n]+b[n]+c[n]+d[n]
となり総和は保存されることが分かります.よって,a[n]+b[n]+c[n]+d[n]=Sです.
次に,向かい合う数同士の和もn≧1で保存され
a[n+1]+c[n+1]=(a[n]+b[n]+c[n]+d[n])/2=S/2
b[n+1]+d[n+1]=(a[n]+b[n]+c[n]+d[n])/2=S/2
です.
次に向かい合う数の差を計算すると
a[n+1]-c[n+1]=(a[n]+b[n]-c[n]-d[n])/2
b[n+1]-d[n+1]=(b[n]+c[n]-d[n]-a[n])/2
ここでa[n]-c[n]=x[n],b[n]-d[n]=y[n]と置くと
x[n+1]=(y[n]+x[n])/2
y[n+1]=(y[n]-x[n])/2
となります.
ここで
x[n+1]+αy[n+1]=(1-α)/2(x[n])+(1+α)/2(y[n])=(1-α)/2{x[n]+(1+α)/(1-α)y[n]}
ですから,α=(1+α)/(1-α)を解いてα=±iのときに次のように整理されます.
x[n+1]+iy[n+1]=(1-i)/2(x[n]+i[y])
x[n+1]-iy[n+1]=(1+i)/2(x[n]-i[y])
このうち第1式においてx[n]+iy[n]=s[n]と置けば
s[n+1]=(1-i)/2(s[n])
という等比数列になり,一般項は
s[n]={(1-i)/2}^n(s[0])
です.
この両辺の絶対値をとると
|s[n]|=(√2/2)^n|s[0]|
ですので,n→∞で|s[n]|も0に収束します.
s[n]=x[n]+iy[n]であり,またx[n]=a[n]-c[n],y[n]=b[n]-d[n]よりx[n]とy[n]は実数であるから,|s[n]|→0は,実部x[n]→0かつ虚部y[n]→0を意味します.
x[n]=a[n]-c[n]→0であり,かつa[n]+c[n]=S/2でしたから,a[n]とc[n]はそれぞれS/4に収束します.
同様にy[n]=b[n]-d[n]→0であり,かつb[n]+d[n]=S/2でしたから,b[n]とd[n]もそれぞれS/4に収束します.
ここでS/4=(a[0]+b[0]+c[0]+d[0])/4は最初の4数の平均値に等しいです.
以上より,答え「極限的には書かれる数字は4つとも最初の4つの数の平均値に収束する」
このクイズのヒント
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