次の和 $S$ を求める問題です。 $S = 1 \cdot 1 + 2 \cdot 3 + 3 \cdot 3^2 + 4 \cdot 3^3 + \dots + n \cdot 3^{n-1}$

1. 問題の内容

次の和 $S$ を求める問題です。

$S = 1 \cdot 1 + 2 \cdot 3 + 3 \cdot 3^2 + 4 \cdot 3^3 + \dots + n \cdot 3^{n-1}$

2. 解き方の手順

まず、$S$ を書きます。

$S = 1 \cdot 1 + 2 \cdot 3 + 3 \cdot 3^2 + 4 \cdot 3^3 + \dots + n \cdot 3^{n-1}$

次に、$3S$ を計算します。

$3S = 1 \cdot 3 + 2 \cdot 3^2 + 3 \cdot 3^3 + \dots + (n-1) \cdot 3^{n-1} + n \cdot 3^n$

$S$ から $3S$ を引くと、

$S - 3S = 1 \cdot 1 + (2-1) \cdot 3 + (3-2) \cdot 3^2 + (4-3) \cdot 3^3 + \dots + (n-(n-1)) \cdot 3^{n-1} - n \cdot 3^n$

$-2S = 1 + 3 + 3^2 + 3^3 + \dots + 3^{n-1} - n \cdot 3^n$

等比数列の和の公式より、

$1 + 3 + 3^2 + \dots + 3^{n-1} = \frac{3^n - 1}{3 - 1} = \frac{3^n - 1}{2}$

したがって、

$-2S = \frac{3^n - 1}{2} - n \cdot 3^n$

$-2S = \frac{3^n - 1 - 2n \cdot 3^n}{2}$

$-2S = \frac{(1 - 2n) \cdot 3^n - 1}{2}$

$S = \frac{1 - (1 - 2n) \cdot 3^n}{4}$

$S = \frac{1 + (2n - 1) \cdot 3^n}{4}$

3. 最終的な答え

$S = \frac{1 + (2n - 1) \cdot 3^n}{4}$