次の数列の和 $S$ を求めます。 (1) $\frac{1}{1 \cdot 2 \cdot 3}, \frac{1}{2 \cdot 3 \cdot 4}, \frac{1}{3 \cdot 4 \cdot 5}, \dots, \frac{1}{n(n+1)(n+2)}$ (2) $\frac{1}{1 + \sqrt{3}}, \frac{1}{\sqrt{2} + \sqrt{4}}, \frac{1}{\sqrt{3} + \sqrt{5}}, \dots, \frac{1}{\sqrt{n} + \sqrt{n+2}}$

解析学数列級数部分分数分解有理化シグマ
2025/4/8

1. 問題の内容

次の数列の和 SS を求めます。
(1) 1123,1234,1345,,1n(n+1)(n+2)\frac{1}{1 \cdot 2 \cdot 3}, \frac{1}{2 \cdot 3 \cdot 4}, \frac{1}{3 \cdot 4 \cdot 5}, \dots, \frac{1}{n(n+1)(n+2)}
(2) 11+3,12+4,13+5,,1n+n+2\frac{1}{1 + \sqrt{3}}, \frac{1}{\sqrt{2} + \sqrt{4}}, \frac{1}{\sqrt{3} + \sqrt{5}}, \dots, \frac{1}{\sqrt{n} + \sqrt{n+2}}

2. 解き方の手順

(1) 部分分数分解を利用します。1n(n+1)(n+2)\frac{1}{n(n+1)(n+2)} を部分分数に分解すると、
1n(n+1)(n+2)=An+Bn+1+Cn+2\frac{1}{n(n+1)(n+2)} = \frac{A}{n} + \frac{B}{n+1} + \frac{C}{n+2}
1=A(n+1)(n+2)+Bn(n+2)+Cn(n+1)1 = A(n+1)(n+2) + Bn(n+2) + Cn(n+1)
n=0n=0 のとき 1=2A1 = 2A より A=12A = \frac{1}{2}
n=1n=-1 のとき 1=B1 = -B より B=1B = -1
n=2n=-2 のとき 1=2C1 = 2C より C=12C = \frac{1}{2}
よって、
1n(n+1)(n+2)=12(1n2n+1+1n+2)=12(1n1n+11n+1+1n+2)=12[(1n1n+1)(1n+11n+2)]\frac{1}{n(n+1)(n+2)} = \frac{1}{2} \left( \frac{1}{n} - \frac{2}{n+1} + \frac{1}{n+2} \right) = \frac{1}{2} \left( \frac{1}{n} - \frac{1}{n+1} - \frac{1}{n+1} + \frac{1}{n+2} \right) = \frac{1}{2} \left[ \left( \frac{1}{n} - \frac{1}{n+1} \right) - \left( \frac{1}{n+1} - \frac{1}{n+2} \right) \right]
S=k=1n1k(k+1)(k+2)=12k=1n(1k2k+1+1k+2)S = \sum_{k=1}^{n} \frac{1}{k(k+1)(k+2)} = \frac{1}{2} \sum_{k=1}^{n} \left( \frac{1}{k} - \frac{2}{k+1} + \frac{1}{k+2} \right)
S=12[(122+13)+(1223+14)+(1324+15)++(1n22n1+1n)+(1n12n+1n+1)+(1n2n+1+1n+2)]S = \frac{1}{2} \left[ \left(1 - \frac{2}{2} + \frac{1}{3} \right) + \left( \frac{1}{2} - \frac{2}{3} + \frac{1}{4} \right) + \left( \frac{1}{3} - \frac{2}{4} + \frac{1}{5} \right) + \dots + \left( \frac{1}{n-2} - \frac{2}{n-1} + \frac{1}{n} \right) + \left( \frac{1}{n-1} - \frac{2}{n} + \frac{1}{n+1} \right) + \left( \frac{1}{n} - \frac{2}{n+1} + \frac{1}{n+2} \right) \right]
S=12[1121n+1+1n+2]=12[121n+1+1n+2]=12[(n+1)(n+2)2(n+2)+2(n+1)2(n+1)(n+2)]S = \frac{1}{2} \left[ 1 - \frac{1}{2} - \frac{1}{n+1} + \frac{1}{n+2} \right] = \frac{1}{2} \left[ \frac{1}{2} - \frac{1}{n+1} + \frac{1}{n+2} \right] = \frac{1}{2} \left[ \frac{(n+1)(n+2) - 2(n+2) + 2(n+1)}{2(n+1)(n+2)} \right]
S=12[n2+3n+22n4+2n+22(n+1)(n+2)]=12[n2+3n2(n+1)(n+2)]=n(n+3)4(n+1)(n+2)S = \frac{1}{2} \left[ \frac{n^2 + 3n + 2 - 2n - 4 + 2n + 2}{2(n+1)(n+2)} \right] = \frac{1}{2} \left[ \frac{n^2 + 3n}{2(n+1)(n+2)} \right] = \frac{n(n+3)}{4(n+1)(n+2)}
(2) 分母の有理化を行います。
1n+n+2=nn+2(n+n+2)(nn+2)=nn+2n(n+2)=nn+22=n+2n2\frac{1}{\sqrt{n} + \sqrt{n+2}} = \frac{\sqrt{n} - \sqrt{n+2}}{(\sqrt{n} + \sqrt{n+2})(\sqrt{n} - \sqrt{n+2})} = \frac{\sqrt{n} - \sqrt{n+2}}{n - (n+2)} = \frac{\sqrt{n} - \sqrt{n+2}}{-2} = \frac{\sqrt{n+2} - \sqrt{n}}{2}
S=k=1n1k+k+2=12k=1n(k+2k)S = \sum_{k=1}^{n} \frac{1}{\sqrt{k} + \sqrt{k+2}} = \frac{1}{2} \sum_{k=1}^{n} (\sqrt{k+2} - \sqrt{k})
S=12[(31)+(42)+(53)+(64)++(n+1n1)+(n+2n)]S = \frac{1}{2} \left[ (\sqrt{3} - \sqrt{1}) + (\sqrt{4} - \sqrt{2}) + (\sqrt{5} - \sqrt{3}) + (\sqrt{6} - \sqrt{4}) + \dots + (\sqrt{n+1} - \sqrt{n-1}) + (\sqrt{n+2} - \sqrt{n}) \right]
S=12[12+n+1+n+2]=12[n+1+n+212]S = \frac{1}{2} \left[ -\sqrt{1} - \sqrt{2} + \sqrt{n+1} + \sqrt{n+2} \right] = \frac{1}{2} \left[ \sqrt{n+1} + \sqrt{n+2} - 1 - \sqrt{2} \right]

3. 最終的な答え

(1) n(n+3)4(n+1)(n+2)\frac{n(n+3)}{4(n+1)(n+2)}
(2) n+1+n+2122\frac{\sqrt{n+1} + \sqrt{n+2} - 1 - \sqrt{2}}{2}

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