$\sum_{k=1}^{n} (2^k + 2k)$ を求めよ。

1. 問題の内容

$\sum_{k=1}^{n} (2^k + 2k)$ を求めよ。

2. 解き方の手順

$\sum_{k=1}^{n} (2^k + 2k)$ は、$\sum_{k=1}^{n} 2^k$ と $\sum_{k=1}^{n} 2k$ に分解できます。

$\sum_{k=1}^{n} 2^k$ は、初項2、公比2の等比数列の和です。等比数列の和の公式は、$S_n = \frac{a(r^n - 1)}{r - 1}$ です。

したがって、

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

$\sum_{k=1}^{n} 2k = 2 \sum_{k=1}^{n} k$ です。$\sum_{k=1}^{n} k = \frac{n(n+1)}{2}$ なので、

$\sum_{k=1}^{n} 2k = 2 \cdot \frac{n(n+1)}{2} = n(n+1) = n^2 + n$

したがって、

$\sum_{k=1}^{n} (2^k + 2k) = (2^{n+1} - 2) + (n^2 + n) = 2^{n+1} + n^2 + n - 2$

3. 最終的な答え

$2^{n+1} + n^2 + n - 2$