与えられた問題は、総和 $\sum_{k=1}^n \frac{1}{\sqrt{k+2} + \sqrt{k+3}}$ を計算することです。

解析学総和級数有理化望遠鏡和
2025/7/10

1. 問題の内容

与えられた問題は、総和 k=1n1k+2+k+3\sum_{k=1}^n \frac{1}{\sqrt{k+2} + \sqrt{k+3}} を計算することです。

2. 解き方の手順

まず、分母の有理化を行います。分母と分子に k+3k+2\sqrt{k+3} - \sqrt{k+2} を掛けます。
1k+2+k+3=k+3k+2(k+2+k+3)(k+3k+2)=k+3k+2(k+3)(k+2)=k+3k+2\frac{1}{\sqrt{k+2} + \sqrt{k+3}} = \frac{\sqrt{k+3} - \sqrt{k+2}}{(\sqrt{k+2} + \sqrt{k+3})(\sqrt{k+3} - \sqrt{k+2})} = \frac{\sqrt{k+3} - \sqrt{k+2}}{(k+3) - (k+2)} = \sqrt{k+3} - \sqrt{k+2}
したがって、総和は次のようになります。
k=1n1k+2+k+3=k=1n(k+3k+2)\sum_{k=1}^n \frac{1}{\sqrt{k+2} + \sqrt{k+3}} = \sum_{k=1}^n (\sqrt{k+3} - \sqrt{k+2})
この総和は望遠鏡和(telescoping sum)の形をしています。つまり、項が互いに打ち消し合って、最初と最後の項だけが残ります。具体的に書き下すと、
(43)+(54)+(65)++(n+2n+1)+(n+3n+2)(\sqrt{4} - \sqrt{3}) + (\sqrt{5} - \sqrt{4}) + (\sqrt{6} - \sqrt{5}) + \dots + (\sqrt{n+2} - \sqrt{n+1}) + (\sqrt{n+3} - \sqrt{n+2})
隣り合う項が打ち消し合うので、残るのは 3+n+3-\sqrt{3} + \sqrt{n+3} です。

3. 最終的な答え

n+33\sqrt{n+3} - \sqrt{3}

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