次の数列の第n項までの和を求めます。 (1) $2^2, 4^2, 6^2, \dots$ (2) $1 \cdot 3, 2 \cdot 4, 3 \cdot 5, \dots$ (3) $1 \cdot 2 \cdot 3, 2 \cdot 3 \cdot 4, 3 \cdot 4 \cdot 5, 4 \cdot 5 \cdot 6, \dots$ (4) $\frac{1}{1 \cdot 3}, \frac{1}{2 \cdot 4}, \frac{1}{3 \cdot 5}, \frac{1}{4 \cdot 6}, \dots$

代数学数列級数シグマ一般項和の公式
2025/8/4

1. 問題の内容

次の数列の第n項までの和を求めます。
(1) 22,42,62,2^2, 4^2, 6^2, \dots
(2) 13,24,35,1 \cdot 3, 2 \cdot 4, 3 \cdot 5, \dots
(3) 123,234,345,456,1 \cdot 2 \cdot 3, 2 \cdot 3 \cdot 4, 3 \cdot 4 \cdot 5, 4 \cdot 5 \cdot 6, \dots
(4) 113,124,135,146,\frac{1}{1 \cdot 3}, \frac{1}{2 \cdot 4}, \frac{1}{3 \cdot 5}, \frac{1}{4 \cdot 6}, \dots

2. 解き方の手順

(1) 数列の一般項は an=(2n)2=4n2a_n = (2n)^2 = 4n^2 です。
第n項までの和は
Sn=k=1nak=k=1n4k2=4k=1nk2=4n(n+1)(2n+1)6=2n(n+1)(2n+1)3S_n = \sum_{k=1}^{n} a_k = \sum_{k=1}^{n} 4k^2 = 4 \sum_{k=1}^{n} k^2 = 4 \cdot \frac{n(n+1)(2n+1)}{6} = \frac{2n(n+1)(2n+1)}{3}
(2) 数列の一般項は an=n(n+2)=n2+2na_n = n(n+2) = n^2 + 2n です。
第n項までの和は
Sn=k=1nak=k=1n(k2+2k)=k=1nk2+2k=1nk=n(n+1)(2n+1)6+2n(n+1)2=n(n+1)(2n+1)6+n(n+1)=n(n+1)(2n+1)+6n(n+1)6=n(n+1)(2n+1+6)6=n(n+1)(2n+7)6S_n = \sum_{k=1}^{n} a_k = \sum_{k=1}^{n} (k^2 + 2k) = \sum_{k=1}^{n} k^2 + 2 \sum_{k=1}^{n} k = \frac{n(n+1)(2n+1)}{6} + 2 \cdot \frac{n(n+1)}{2} = \frac{n(n+1)(2n+1)}{6} + n(n+1) = \frac{n(n+1)(2n+1) + 6n(n+1)}{6} = \frac{n(n+1)(2n+1+6)}{6} = \frac{n(n+1)(2n+7)}{6}
(3) 数列の一般項は an=n(n+1)(n+2)=n(n2+3n+2)=n3+3n2+2na_n = n(n+1)(n+2) = n(n^2 + 3n + 2) = n^3 + 3n^2 + 2n です。
第n項までの和は
Sn=k=1nak=k=1n(k3+3k2+2k)=k=1nk3+3k=1nk2+2k=1nk=(n(n+1)2)2+3n(n+1)(2n+1)6+2n(n+1)2=n2(n+1)24+n(n+1)(2n+1)2+n(n+1)=n2(n+1)2+2n(n+1)(2n+1)+4n(n+1)4=n(n+1)[n(n+1)+2(2n+1)+4]4=n(n+1)[n2+n+4n+2+4]4=n(n+1)(n2+5n+6)4=n(n+1)(n+2)(n+3)4S_n = \sum_{k=1}^{n} a_k = \sum_{k=1}^{n} (k^3 + 3k^2 + 2k) = \sum_{k=1}^{n} k^3 + 3 \sum_{k=1}^{n} k^2 + 2 \sum_{k=1}^{n} k = \left(\frac{n(n+1)}{2}\right)^2 + 3 \cdot \frac{n(n+1)(2n+1)}{6} + 2 \cdot \frac{n(n+1)}{2} = \frac{n^2(n+1)^2}{4} + \frac{n(n+1)(2n+1)}{2} + n(n+1) = \frac{n^2(n+1)^2 + 2n(n+1)(2n+1) + 4n(n+1)}{4} = \frac{n(n+1)[n(n+1) + 2(2n+1) + 4]}{4} = \frac{n(n+1)[n^2+n + 4n + 2 + 4]}{4} = \frac{n(n+1)(n^2 + 5n + 6)}{4} = \frac{n(n+1)(n+2)(n+3)}{4}
(4) 数列の一般項は an=1n(n+2)=12(1n1n+2)a_n = \frac{1}{n(n+2)} = \frac{1}{2} (\frac{1}{n} - \frac{1}{n+2}) です。
第n項までの和は
Sn=k=1nak=k=1n12(1k1k+2)=12k=1n(1k1k+2)=12[(113)+(1214)+(1315)++(1n11n+1)+(1n1n+2)]=12[1+121n+11n+2]=12[322n+3(n+1)(n+2)]=12[3(n+1)(n+2)2(2n+3)2(n+1)(n+2)]=3n2+9n+64n64(n+1)(n+2)=3n2+5n4(n+1)(n+2)=n(3n+5)4(n+1)(n+2)S_n = \sum_{k=1}^{n} a_k = \sum_{k=1}^{n} \frac{1}{2} (\frac{1}{k} - \frac{1}{k+2}) = \frac{1}{2} \sum_{k=1}^{n} (\frac{1}{k} - \frac{1}{k+2}) = \frac{1}{2} [ (1 - \frac{1}{3}) + (\frac{1}{2} - \frac{1}{4}) + (\frac{1}{3} - \frac{1}{5}) + \dots + (\frac{1}{n-1} - \frac{1}{n+1}) + (\frac{1}{n} - \frac{1}{n+2}) ] = \frac{1}{2} [ 1 + \frac{1}{2} - \frac{1}{n+1} - \frac{1}{n+2} ] = \frac{1}{2} [ \frac{3}{2} - \frac{2n+3}{(n+1)(n+2)} ] = \frac{1}{2} [ \frac{3(n+1)(n+2) - 2(2n+3)}{2(n+1)(n+2)} ] = \frac{3n^2 + 9n + 6 - 4n - 6}{4(n+1)(n+2)} = \frac{3n^2 + 5n}{4(n+1)(n+2)} = \frac{n(3n+5)}{4(n+1)(n+2)}

3. 最終的な答え

(1) 2n(n+1)(2n+1)3\frac{2n(n+1)(2n+1)}{3}
(2) n(n+1)(2n+7)6\frac{n(n+1)(2n+7)}{6}
(3) n(n+1)(n+2)(n+3)4\frac{n(n+1)(n+2)(n+3)}{4}
(4) n(3n+5)4(n+1)(n+2)\frac{n(3n+5)}{4(n+1)(n+2)}

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