数列 $\{a_n\}$ が $a_1 = 1$ および漸化式 $a_{n+1} - a_n = \frac{1}{n(n+1)}$ ($n = 1, 2, 3, \dots$) を満たすとき、数列 $\{a_n\}$ の一般項を求める問題です。

代数学数列漸化式部分分数分解telescoping sum一般項
2025/8/12

1. 問題の内容

数列 {an}\{a_n\}a1=1a_1 = 1 および漸化式 an+1an=1n(n+1)a_{n+1} - a_n = \frac{1}{n(n+1)} (n=1,2,3,n = 1, 2, 3, \dots) を満たすとき、数列 {an}\{a_n\} の一般項を求める問題です。

2. 解き方の手順

まず、与えられた漸化式 an+1an=1n(n+1)a_{n+1} - a_n = \frac{1}{n(n+1)} を部分分数分解します。
1n(n+1)=1n1n+1\frac{1}{n(n+1)} = \frac{1}{n} - \frac{1}{n+1}
したがって、an+1an=1n1n+1a_{n+1} - a_n = \frac{1}{n} - \frac{1}{n+1} となります。
次に、n2n \geq 2 のとき、
an=a1+k=1n1(ak+1ak)a_n = a_1 + \sum_{k=1}^{n-1} (a_{k+1} - a_k)
=a1+k=1n1(1k1k+1)= a_1 + \sum_{k=1}^{n-1} \left(\frac{1}{k} - \frac{1}{k+1}\right)
=1+(1112)+(1213)++(1n11n)= 1 + \left(\frac{1}{1} - \frac{1}{2}\right) + \left(\frac{1}{2} - \frac{1}{3}\right) + \dots + \left(\frac{1}{n-1} - \frac{1}{n}\right)
上記の和はtelescoping sum(望遠鏡和)であるため、
an=1+(11n)=21na_n = 1 + \left(1 - \frac{1}{n}\right) = 2 - \frac{1}{n}
となります。
n=1n = 1 のとき、a1=211=1a_1 = 2 - \frac{1}{1} = 1 であり、これは与えられた条件 a1=1a_1 = 1 と一致します。
したがって、すべての n1n \geq 1 に対して、an=21na_n = 2 - \frac{1}{n} が成り立ちます。

3. 最終的な答え

an=21na_n = 2 - \frac{1}{n}

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