## 問題230の解答

代数学数列シグマ記号等差数列等比数列累乗の和
2025/7/13
## 問題230の解答
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1. 問題の内容

与えられた6つの和の計算問題を解く。
(1) k=1n(2k7)\sum_{k=1}^{n} (2k - 7)
(2) k=1n(5k24k+2)\sum_{k=1}^{n} (5k^2 - 4k + 2)
(3) k=1n(4k31)\sum_{k=1}^{n} (4k^3 - 1)
(4) k=1nk(k+1)\sum_{k=1}^{n} k(k+1)
(5) m=1n(3m1)2\sum_{m=1}^{n} (3m - 1)^2
(6) k=1n(3k+2)\sum_{k=1}^{n} (3^k + 2)
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2. 解き方の手順

#### (1) k=1n(2k7)\sum_{k=1}^{n} (2k - 7)
和を分解し、k=1nk=n(n+1)2\sum_{k=1}^{n} k = \frac{n(n+1)}{2} を利用する。
k=1n(2k7)=2k=1nkk=1n7=2n(n+1)27n=n(n+1)7n=n2+n7n=n26n\sum_{k=1}^{n} (2k - 7) = 2\sum_{k=1}^{n} k - \sum_{k=1}^{n} 7 = 2 \cdot \frac{n(n+1)}{2} - 7n = n(n+1) - 7n = n^2 + n - 7n = n^2 - 6n
#### (2) k=1n(5k24k+2)\sum_{k=1}^{n} (5k^2 - 4k + 2)
和を分解し、k=1nk=n(n+1)2\sum_{k=1}^{n} k = \frac{n(n+1)}{2}k=1nk2=n(n+1)(2n+1)6\sum_{k=1}^{n} k^2 = \frac{n(n+1)(2n+1)}{6} を利用する。
k=1n(5k24k+2)=5k=1nk24k=1nk+k=1n2=5n(n+1)(2n+1)64n(n+1)2+2n=5n(n+1)(2n+1)62n(n+1)+2n=n6[5(n+1)(2n+1)12(n+1)+12]=n6[5(2n2+3n+1)12n12+12]=n6[10n2+15n+512n]=n6[10n2+3n+5]=10n3+3n2+5n6\sum_{k=1}^{n} (5k^2 - 4k + 2) = 5\sum_{k=1}^{n} k^2 - 4\sum_{k=1}^{n} k + \sum_{k=1}^{n} 2 = 5 \cdot \frac{n(n+1)(2n+1)}{6} - 4 \cdot \frac{n(n+1)}{2} + 2n = \frac{5n(n+1)(2n+1)}{6} - 2n(n+1) + 2n = \frac{n}{6} [5(n+1)(2n+1) - 12(n+1) + 12] = \frac{n}{6} [5(2n^2+3n+1) - 12n - 12 + 12] = \frac{n}{6} [10n^2 + 15n + 5 - 12n] = \frac{n}{6} [10n^2 + 3n + 5] = \frac{10n^3 + 3n^2 + 5n}{6}
#### (3) k=1n(4k31)\sum_{k=1}^{n} (4k^3 - 1)
和を分解し、k=1nk3=(n(n+1)2)2\sum_{k=1}^{n} k^3 = (\frac{n(n+1)}{2})^2 を利用する。
k=1n(4k31)=4k=1nk3k=1n1=4(n(n+1)2)2n=4n2(n+1)24n=n2(n+1)2n=n2(n2+2n+1)n=n4+2n3+n2n\sum_{k=1}^{n} (4k^3 - 1) = 4\sum_{k=1}^{n} k^3 - \sum_{k=1}^{n} 1 = 4 \cdot (\frac{n(n+1)}{2})^2 - n = 4 \cdot \frac{n^2(n+1)^2}{4} - n = n^2(n+1)^2 - n = n^2(n^2 + 2n + 1) - n = n^4 + 2n^3 + n^2 - n
#### (4) k=1nk(k+1)\sum_{k=1}^{n} k(k+1)
k=1nk(k+1)=k=1n(k2+k)=k=1nk2+k=1nk=n(n+1)(2n+1)6+n(n+1)2=n(n+1)(2n+1)+3n(n+1)6=n(n+1)(2n+1+3)6=n(n+1)(2n+4)6=2n(n+1)(n+2)6=n(n+1)(n+2)3\sum_{k=1}^{n} k(k+1) = \sum_{k=1}^{n} (k^2 + k) = \sum_{k=1}^{n} k^2 + \sum_{k=1}^{n} k = \frac{n(n+1)(2n+1)}{6} + \frac{n(n+1)}{2} = \frac{n(n+1)(2n+1) + 3n(n+1)}{6} = \frac{n(n+1)(2n+1+3)}{6} = \frac{n(n+1)(2n+4)}{6} = \frac{2n(n+1)(n+2)}{6} = \frac{n(n+1)(n+2)}{3}
#### (5) m=1n(3m1)2\sum_{m=1}^{n} (3m - 1)^2
m=1n(3m1)2=m=1n(9m26m+1)=9m=1nm26m=1nm+m=1n1=9n(n+1)(2n+1)66n(n+1)2+n=3n(n+1)(2n+1)23n(n+1)+n=3n(n+1)(2n+1)6n(n+1)+2n2=n2[3(n+1)(2n+1)6(n+1)+2]=n2[3(2n2+3n+1)6n6+2]=n2[6n2+9n+36n4]=n2[6n2+3n1]=6n3+3n2n2\sum_{m=1}^{n} (3m - 1)^2 = \sum_{m=1}^{n} (9m^2 - 6m + 1) = 9\sum_{m=1}^{n} m^2 - 6\sum_{m=1}^{n} m + \sum_{m=1}^{n} 1 = 9\cdot \frac{n(n+1)(2n+1)}{6} - 6\cdot \frac{n(n+1)}{2} + n = \frac{3n(n+1)(2n+1)}{2} - 3n(n+1) + n = \frac{3n(n+1)(2n+1) - 6n(n+1) + 2n}{2} = \frac{n}{2} [3(n+1)(2n+1) - 6(n+1) + 2] = \frac{n}{2} [3(2n^2+3n+1) - 6n - 6 + 2] = \frac{n}{2} [6n^2+9n+3 - 6n - 4] = \frac{n}{2} [6n^2+3n-1] = \frac{6n^3+3n^2-n}{2}
#### (6) k=1n(3k+2)\sum_{k=1}^{n} (3^k + 2)
k=1n(3k+2)=k=1n3k+k=1n2\sum_{k=1}^{n} (3^k + 2) = \sum_{k=1}^{n} 3^k + \sum_{k=1}^{n} 2
k=1n3k\sum_{k=1}^{n} 3^k は初項3、公比3の等比数列の和であるから、 k=1n3k=3(3n1)31=3(3n1)2\sum_{k=1}^{n} 3^k = \frac{3(3^n - 1)}{3 - 1} = \frac{3(3^n - 1)}{2}
k=1n2=2n\sum_{k=1}^{n} 2 = 2n
したがって、 k=1n(3k+2)=3(3n1)2+2n=3n+132+2n=3n+13+4n2\sum_{k=1}^{n} (3^k + 2) = \frac{3(3^n - 1)}{2} + 2n = \frac{3^{n+1} - 3}{2} + 2n = \frac{3^{n+1} - 3 + 4n}{2}
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3. 最終的な答え

(1) n26nn^2 - 6n
(2) 10n3+3n2+5n6\frac{10n^3 + 3n^2 + 5n}{6}
(3) n4+2n3+n2nn^4 + 2n^3 + n^2 - n
(4) n(n+1)(n+2)3\frac{n(n+1)(n+2)}{3}
(5) 6n3+3n2n2\frac{6n^3+3n^2-n}{2}
(6) 3n+13+4n2\frac{3^{n+1} - 3 + 4n}{2}

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