$n$を2以上の整数とするとき、次の和$S_n$を求め、$n$の分数式で表す問題です。 $S_n = \sum_{k=2}^{n} \frac{k^2+1}{k^2-1}$

解析学数列級数部分分数分解シグマ
2025/4/17

1. 問題の内容

nnを2以上の整数とするとき、次の和SnS_nを求め、nnの分数式で表す問題です。
Sn=k=2nk2+1k21S_n = \sum_{k=2}^{n} \frac{k^2+1}{k^2-1}

2. 解き方の手順

まず、k2+1k21\frac{k^2+1}{k^2-1}を部分分数分解します。
k2+1k21=k21+2k21=1+2k21=1+2(k1)(k+1)\frac{k^2+1}{k^2-1} = \frac{k^2-1+2}{k^2-1} = 1 + \frac{2}{k^2-1} = 1 + \frac{2}{(k-1)(k+1)}
2(k1)(k+1)\frac{2}{(k-1)(k+1)}を部分分数分解します。
2(k1)(k+1)=Ak1+Bk+1\frac{2}{(k-1)(k+1)} = \frac{A}{k-1} + \frac{B}{k+1}とおくと、2=A(k+1)+B(k1)2 = A(k+1) + B(k-1)となります。
k=1k = 1のとき、2=2A2 = 2Aより、A=1A = 1
k=1k = -1のとき、2=2B2 = -2Bより、B=1B = -1
よって、2(k1)(k+1)=1k11k+1\frac{2}{(k-1)(k+1)} = \frac{1}{k-1} - \frac{1}{k+1}
したがって、k2+1k21=1+1k11k+1\frac{k^2+1}{k^2-1} = 1 + \frac{1}{k-1} - \frac{1}{k+1}
Sn=k=2nk2+1k21=k=2n(1+1k11k+1)=k=2n1+k=2n(1k11k+1)S_n = \sum_{k=2}^{n} \frac{k^2+1}{k^2-1} = \sum_{k=2}^{n} (1 + \frac{1}{k-1} - \frac{1}{k+1}) = \sum_{k=2}^{n} 1 + \sum_{k=2}^{n} (\frac{1}{k-1} - \frac{1}{k+1})
k=2n1=n1\sum_{k=2}^{n} 1 = n-1
k=2n(1k11k+1)=(1113)+(1214)+(1315)++(1n31n1)+(1n21n)+(1n11n+1)\sum_{k=2}^{n} (\frac{1}{k-1} - \frac{1}{k+1}) = (\frac{1}{1} - \frac{1}{3}) + (\frac{1}{2} - \frac{1}{4}) + (\frac{1}{3} - \frac{1}{5}) + \dots + (\frac{1}{n-3} - \frac{1}{n-1}) + (\frac{1}{n-2} - \frac{1}{n}) + (\frac{1}{n-1} - \frac{1}{n+1})
=1+121n1n+1=32n+1+nn(n+1)=322n+1n(n+1)= 1 + \frac{1}{2} - \frac{1}{n} - \frac{1}{n+1} = \frac{3}{2} - \frac{n+1+n}{n(n+1)} = \frac{3}{2} - \frac{2n+1}{n(n+1)}
Sn=n1+322n+1n(n+1)=n+122n+1n(n+1)=2n2(n+1)+n(n+1)2(2n+1)2n(n+1)=2n3+2n2+n2+n4n22n(n+1)=2n3+3n23n22n(n+1)S_n = n-1 + \frac{3}{2} - \frac{2n+1}{n(n+1)} = n + \frac{1}{2} - \frac{2n+1}{n(n+1)} = \frac{2n^2(n+1) + n(n+1) - 2(2n+1)}{2n(n+1)} = \frac{2n^3+2n^2+n^2+n-4n-2}{2n(n+1)} = \frac{2n^3+3n^2-3n-2}{2n(n+1)}
2n3+3n23n2=(n1)(2n2+5n+2)=(n1)(2n+1)(n+2)2n^3+3n^2-3n-2 = (n-1)(2n^2+5n+2) = (n-1)(2n+1)(n+2)より計算ミスがあります。
k=2n(1k11k+1)=(1113)+(1214)+(1315)++(1n11n+1)=1+121n1n+1=322n+1n(n+1)=3n2+3n4n22n(n+1)=3n2n22n(n+1)=(3n+2)(n1)2n(n+1)\sum_{k=2}^n (\frac{1}{k-1} - \frac{1}{k+1}) = (\frac{1}{1} - \frac{1}{3}) + (\frac{1}{2} - \frac{1}{4}) + (\frac{1}{3} - \frac{1}{5}) + \cdots + (\frac{1}{n-1} - \frac{1}{n+1}) = 1 + \frac{1}{2} - \frac{1}{n} - \frac{1}{n+1} = \frac{3}{2} - \frac{2n+1}{n(n+1)} = \frac{3n^2+3n-4n-2}{2n(n+1)} = \frac{3n^2-n-2}{2n(n+1)} = \frac{(3n+2)(n-1)}{2n(n+1)}
Sn=n1+3n2n22n(n+1)=2n2(n+1)2n(n+1)+3n2n22n(n+1)=2n3+2n22n22n+3n2n22n(n+1)=2n3+3n23n22n(n+1)=(n+2)(2n2n1)2n(n+1)S_n = n-1 + \frac{3n^2-n-2}{2n(n+1)} = \frac{2n^2(n+1) - 2n(n+1) + 3n^2-n-2}{2n(n+1)} = \frac{2n^3+2n^2-2n^2-2n+3n^2-n-2}{2n(n+1)} = \frac{2n^3+3n^2-3n-2}{2n(n+1)} = \frac{(n+2)(2n^2-n-1)}{2n(n+1)}と書くこともできます。
2n3+3n23n2=(2n+1)(n2+n2)=(2n+1)(n1)(n+2)2n^3+3n^2-3n-2 = (2n+1)(n^2+n-2)=(2n+1)(n-1)(n+2).
したがって, Sn=n1+322n+1n(n+1)=2n+12+n2+nn(n+1)=n+122n+1n(n+1)S_n = n-1+\frac{3}{2} - \frac{2n+1}{n(n+1)} = \frac{2n+1}{2}+\frac{n^2+n}{n(n+1)} = n+\frac{1}{2}-\frac{2n+1}{n(n+1)}
k=2n(1k11k+1)=321n1n+1=3n2+3n(2n+2)2n(n+1)=3n2+n22n(n+1)=(n1)(3n+2)2n(n+1)\sum_{k=2}^{n} \left(\frac{1}{k-1} - \frac{1}{k+1} \right) = \frac{3}{2}-\frac{1}{n} - \frac{1}{n+1} = \frac{3n^2+3n - (2n+2)}{2n(n+1)} = \frac{3n^2 + n -2 }{2n(n+1)} = \frac{(n-1)(3n+2)}{2n(n+1)}
Sn=(n1)+(n1)(3n+2)2n(n+1)=2n(n+1)(n1)+(n1)(3n+2)2n(n+1)=(n1)[2n(n+1)+3n+2]2n(n+1)S_n = (n-1)+\frac{(n-1)(3n+2)}{2n(n+1)}=\frac{2n(n+1)(n-1) + (n-1)(3n+2)}{2n(n+1)}=\frac{(n-1)[2n(n+1) + 3n+2]}{2n(n+1)}
=(n1)(2n2+5n+2)2n(n+1)=(n1)(n+2)(2n+1)2n(n+1)=\frac{(n-1)(2n^2+5n+2)}{2n(n+1)}=\frac{(n-1)(n+2)(2n+1)}{2n(n+1)}.

3. 最終的な答え

Sn=(n1)(n+2)(2n+1)2n(n+1)S_n = \frac{(n-1)(n+2)(2n+1)}{2n(n+1)}

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