数列の一般項が $n \cdot 2^{n-1}$ で表されるとき、初項から第n項までの和 $S = \sum_{k=1}^{n} k \cdot 2^{k-1}$ を求める問題です。具体的には、 $S = 1 \cdot 1 + 2 \cdot 2 + 3 \cdot 2^2 + \dots + n \cdot 2^{n-1}$ を計算します。

1. 問題の内容

数列の一般項が $n \cdot 2^{n-1}$ で表されるとき、初項から第n項までの和 $S = \sum_{k=1}^{n} k \cdot 2^{k-1}$ を求める問題です。具体的には、

$S = 1 \cdot 1 + 2 \cdot 2 + 3 \cdot 2^2 + \dots + n \cdot 2^{n-1}$ を計算します。

2. 解き方の手順

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

この式に2をかけると

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

$S - 2S$ を計算することで、等比数列の和の形を作り出します。

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

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

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

等比数列の和の公式を用いて、$1 + 2 + 2^2 + \dots + 2^{n-1}$ を計算します。

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

したがって

$-S = 2^n - 1 - n \cdot 2^n = (1-n) \cdot 2^n - 1$

$S = (n-1) \cdot 2^n + 1$

3. 最終的な答え

$S = (n-1)2^n + 1$