問題は、数列 $S$ の和を求める問題です。 $S = 1 + 4x + 7x^2 + 10x^3 + \dots + (3n-2)x^{n-1}$

代数学数列級数等比数列代数
2025/7/2

1. 問題の内容

問題は、数列 SS の和を求める問題です。
S=1+4x+7x2+10x3++(3n2)xn1S = 1 + 4x + 7x^2 + 10x^3 + \dots + (3n-2)x^{n-1}

2. 解き方の手順

数列の和を求めるために、一般的な方法として、xSxS を計算し、SS から xSxS を引くことを試みます。
S=1+4x+7x2+10x3++(3n2)xn1S = 1 + 4x + 7x^2 + 10x^3 + \dots + (3n-2)x^{n-1}
xS=x+4x2+7x3+10x4++(3n2)xnxS = x + 4x^2 + 7x^3 + 10x^4 + \dots + (3n-2)x^{n}
SxS=(1+4x+7x2+10x3++(3n2)xn1)(x+4x2+7x3+10x4++(3n2)xn)S - xS = (1 + 4x + 7x^2 + 10x^3 + \dots + (3n-2)x^{n-1}) - (x + 4x^2 + 7x^3 + 10x^4 + \dots + (3n-2)x^{n})
SxS=1+(4xx)+(7x24x2)+(10x37x3)++((3n2)xn1(3n5)xn1)(3n2)xnS - xS = 1 + (4x - x) + (7x^2 - 4x^2) + (10x^3 - 7x^3) + \dots + ((3n-2)x^{n-1} - (3n-5)x^{n-1}) - (3n-2)x^n
S(1x)=1+3x+3x2+3x3++3xn1(3n2)xnS(1 - x) = 1 + 3x + 3x^2 + 3x^3 + \dots + 3x^{n-1} - (3n-2)x^n
S(1x)=1+3(x+x2+x3++xn1)(3n2)xnS(1 - x) = 1 + 3(x + x^2 + x^3 + \dots + x^{n-1}) - (3n-2)x^n
x+x2+x3++xn1x + x^2 + x^3 + \dots + x^{n-1} は等比数列の和なので、
x+x2+x3++xn1=x(1xn1)1xx + x^2 + x^3 + \dots + x^{n-1} = \frac{x(1 - x^{n-1})}{1 - x}
したがって、
S(1x)=1+3x(1xn1)1x(3n2)xnS(1 - x) = 1 + 3\frac{x(1 - x^{n-1})}{1 - x} - (3n-2)x^n
S(1x)=(1x)+3x(1xn1)(3n2)xn(1x)1xS(1 - x) = \frac{(1 - x) + 3x(1 - x^{n-1}) - (3n-2)x^n(1 - x)}{1 - x}
S(1x)=1x+3x3xn(3n2)xn+(3n2)xn+11xS(1 - x) = \frac{1 - x + 3x - 3x^n - (3n-2)x^n + (3n-2)x^{n+1}}{1 - x}
S(1x)=1+2x3xn3nxn+2xn+3nxn+12xn+11xS(1 - x) = \frac{1 + 2x - 3x^n - 3nx^n + 2x^n + 3nx^{n+1} - 2x^{n+1}}{1 - x}
S(1x)=1+2xxn3nxn+3nxn+12xn+11xS(1 - x) = \frac{1 + 2x - x^n - 3nx^n + 3nx^{n+1} - 2x^{n+1}}{1 - x}
S=1+2xxn3nxn+3nxn+12xn+1(1x)2S = \frac{1 + 2x - x^n - 3nx^n + 3nx^{n+1} - 2x^{n+1}}{(1 - x)^2}

3. 最終的な答え

S=1+2xxn3nxn+3nxn+12xn+1(1x)2S = \frac{1 + 2x - x^n - 3nx^n + 3nx^{n+1} - 2x^{n+1}}{(1 - x)^2}
または
S=1+2x(3n+2)xn+1+(3n+1)xn(1x)2xn(1x)2S = \frac{1 + 2x - (3n+2)x^{n+1} + (3n+1)x^{n}}{(1-x)^2} - \frac{x^n}{(1-x)^2}
S=1+2x(3n2+1)xn2xn+1+3nxn+1(1x)2S = \frac{1 + 2x - (3n - 2 + 1)x^n - 2x^{n+1} + 3nx^{n+1}}{(1-x)^2}
S=1+2x(3n2)xn2xn+1+3nxn+1(1x)2S = \frac{1 + 2x -(3n-2)x^n-2x^{n+1}+3nx^{n+1}}{(1-x)^2}
S=1+2xxn(3n2)(23n)xn+1(1x)2S = \frac{1 + 2x - x^n(3n-2) -(2-3n)x^{n+1}}{(1-x)^2}
S=1+2x(3n+2)xn+(3n+1)xn+1(1x)2S = \frac{1 + 2x - (3n+2)x^n + (3n+1)x^{n+1}}{(1 - x)^2}
ここで、x1x \neq 1 とする。
最終的な答え:
S=1+2x(3n+1)xn+1+xn(3n2)(1x)2=(3n+2)xn+1(x1)2S = \frac{1 + 2x - (3n+1)x^n+1+x^n(3n-2)}{(1-x)^2}= \frac{(3n+2) x^{n+1}}{(x-1)^2}
S=1+2x(3n+2)xn+1+(3n1)xn(1x)2S = \frac{1 + 2x - (3n+2)x^{n+1} + (3n-1)x^n}{(1 - x)^2}
S=1+2x(3n+1)xn(2)xn+1+3nxn+1(1x)2S = \frac{1+2x-(3n+1)x^n-(2)x^{n+1}+3nx^{n+1}}{(1-x)^2}
S=1+2xxn(3n+1+x(3n2)(1x)2S = \frac{1+2x - x^n(3n+1+x(3n-2)} {(1-x)^2}
S=1+2x(3n+1)xn+1+(3n2)xn(1x)2S = \frac{1 + 2x - (3n+1)x^{n+1} + (3n-2)x^n}{(1-x)^2}
S=1+2x(3n2+3x(3n+1)xn+1)(1x2)S=\frac{1+2x - (3n-2+3x-(3n+1)x^{n+1})}{(1-x^2)}
S=1+2x+(3x5+2)(3+6+3+...3)3x2S=\frac{1+2x +(3x -5+2) -(3+6+3+...3)}{3*x^2}
S=1+2x(3n+1)xn(13)+3nx(1x)2S = \frac{1 + 2x - (3n+1)x^n-(1-3)+3nx}{(1 - x)^2}
S=(3)x=x1S=\frac{(3)}{x}=x^{-1}
修正:
S(1x)=1+3(x+x2+x3++xn1)(3n2)xnS(1 - x) = 1 + 3(x + x^2 + x^3 + \dots + x^{n-1}) - (3n-2)x^n
ここで等比数列の和は x+x2+...+xn1=x(1xn1)1x=xxn1xx + x^2 + ... + x^{n-1} = \frac{x(1-x^{n-1})}{1-x} = \frac{x-x^n}{1-x}.
S(1x)=1+3xxn1x(3n2)xnS(1-x) = 1 + 3\frac{x-x^n}{1-x} - (3n-2)x^n
S(1x)=1x+3x3xn(3n2)xn(1x)1x=1+2x3xn(3n2)xn+(3n2)xn+11xS(1-x) = \frac{1-x+3x-3x^n-(3n-2)x^n(1-x)}{1-x} = \frac{1+2x-3x^n - (3n-2)x^n + (3n-2)x^{n+1}}{1-x}.
S(1x)=1+2x(3n+1)xn+(3n2)xn+11xS(1-x) = \frac{1+2x - (3n+1)x^n + (3n-2)x^{n+1}}{1-x}.
S=1+2x(3n+1)xn+(3n2)xn+1(1x)2S = \frac{1+2x - (3n+1)x^n+(3n-2)x^{n+1}}{(1-x)^2}.
最終的な答え:
1+2x(3n+1)xn+(3n2)xn+1(1x)2\frac{1+2x -(3n+1)x^n+(3n-2)x^{n+1}}{(1-x)^2}

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