数列 $\{a_n\}$ は、初項が 3、公比が $\frac{1}{5}$ の等比数列である。このとき、数列 $\{n^2a_n\}$ の初項から第 $n$ 項までの和 $S_n = \sum_{k=1}^{n} k^2 a_k$ を求める。

解析学数列級数等比数列無限級数和の計算
2025/4/17

1. 問題の内容

数列 {an}\{a_n\} は、初項が 3、公比が 15\frac{1}{5} の等比数列である。このとき、数列 {n2an}\{n^2a_n\} の初項から第 nn 項までの和 Sn=k=1nk2akS_n = \sum_{k=1}^{n} k^2 a_k を求める。

2. 解き方の手順

まず、数列 {an}\{a_n\} の一般項を求める。初項が 3、公比が 15\frac{1}{5} の等比数列なので、
an=3(15)n1a_n = 3 \cdot \left(\frac{1}{5}\right)^{n-1}
である。
次に、SnS_n の式に aka_k を代入する。
Sn=k=1nk2ak=k=1nk23(15)k1=3k=1nk2(15)k1S_n = \sum_{k=1}^{n} k^2 a_k = \sum_{k=1}^{n} k^2 \cdot 3 \cdot \left(\frac{1}{5}\right)^{k-1} = 3 \sum_{k=1}^{n} k^2 \cdot \left(\frac{1}{5}\right)^{k-1}
Tn=k=1nk2(15)k1T_n = \sum_{k=1}^{n} k^2 \cdot \left(\frac{1}{5}\right)^{k-1} とおくと、
Tn=12+2215+32(15)2++n2(15)n1T_n = 1^2 + 2^2 \cdot \frac{1}{5} + 3^2 \cdot \left(\frac{1}{5}\right)^2 + \dots + n^2 \cdot \left(\frac{1}{5}\right)^{n-1}
15Tn=1215+22(15)2+32(15)3++n2(15)n\frac{1}{5} T_n = 1^2 \cdot \frac{1}{5} + 2^2 \cdot \left(\frac{1}{5}\right)^2 + 3^2 \cdot \left(\frac{1}{5}\right)^3 + \dots + n^2 \cdot \left(\frac{1}{5}\right)^{n}
Tn15Tn=12+(2212)15+(3222)(15)2++(n2(n1)2)(15)n1n2(15)nT_n - \frac{1}{5} T_n = 1^2 + (2^2 - 1^2) \cdot \frac{1}{5} + (3^2 - 2^2) \cdot \left(\frac{1}{5}\right)^2 + \dots + (n^2 - (n-1)^2) \cdot \left(\frac{1}{5}\right)^{n-1} - n^2 \cdot \left(\frac{1}{5}\right)^{n}
45Tn=1+k=1n1((k+1)2k2)(15)kn2(15)n=1+k=1n1(2k+1)(15)kn2(15)n\frac{4}{5} T_n = 1 + \sum_{k=1}^{n-1} ( (k+1)^2 - k^2) \cdot \left(\frac{1}{5}\right)^{k} - n^2 \cdot \left(\frac{1}{5}\right)^{n} = 1 + \sum_{k=1}^{n-1} (2k+1) \cdot \left(\frac{1}{5}\right)^{k} - n^2 \cdot \left(\frac{1}{5}\right)^{n}
Un=k=1n1(2k+1)(15)k=2k=1n1k(15)k+k=1n1(15)kU_n = \sum_{k=1}^{n-1} (2k+1) \left(\frac{1}{5}\right)^k = 2 \sum_{k=1}^{n-1} k \left(\frac{1}{5}\right)^k + \sum_{k=1}^{n-1} \left(\frac{1}{5}\right)^k
k=1n1(15)k=15(1(15)n1)115=15(1(15)n1)45=14(1(15)n1)\sum_{k=1}^{n-1} \left(\frac{1}{5}\right)^k = \frac{\frac{1}{5}(1-\left(\frac{1}{5}\right)^{n-1})}{1-\frac{1}{5}} = \frac{\frac{1}{5}(1-\left(\frac{1}{5}\right)^{n-1})}{\frac{4}{5}} = \frac{1}{4}(1-\left(\frac{1}{5}\right)^{n-1})
Vn=k=1n1k(15)kV_n = \sum_{k=1}^{n-1} k \left(\frac{1}{5}\right)^k とおくと
Vn=115+2(15)2+3(15)3++(n1)(15)n1V_n = 1 \cdot \frac{1}{5} + 2 \left(\frac{1}{5}\right)^2 + 3 \left(\frac{1}{5}\right)^3 + \dots + (n-1) \left(\frac{1}{5}\right)^{n-1}
15Vn=1(15)2+2(15)3++(n2)(15)n1+(n1)(15)n\frac{1}{5} V_n = 1 \cdot \left(\frac{1}{5}\right)^2 + 2 \left(\frac{1}{5}\right)^3 + \dots + (n-2) \left(\frac{1}{5}\right)^{n-1} + (n-1) \left(\frac{1}{5}\right)^{n}
Vn15Vn=15+(15)2+(15)3++(15)n1(n1)(15)n=15(1(15)n1)45(n1)(15)n=14(1(15)n1)(n1)(15)nV_n - \frac{1}{5} V_n = \frac{1}{5} + \left(\frac{1}{5}\right)^2 + \left(\frac{1}{5}\right)^3 + \dots + \left(\frac{1}{5}\right)^{n-1} - (n-1) \left(\frac{1}{5}\right)^{n} = \frac{\frac{1}{5}(1-\left(\frac{1}{5}\right)^{n-1})}{\frac{4}{5}} - (n-1) \left(\frac{1}{5}\right)^{n} = \frac{1}{4} (1- (\frac{1}{5})^{n-1} ) - (n-1)(\frac{1}{5})^n
45Vn=14(1(15)n1)(n1)(15)n\frac{4}{5} V_n = \frac{1}{4} (1- (\frac{1}{5})^{n-1} ) - (n-1)(\frac{1}{5})^n
Vn=516(1(15)n1)5(n1)4(15)n=516(1(15)n1)(n1)45n1V_n = \frac{5}{16} (1- (\frac{1}{5})^{n-1} ) - \frac{5(n-1)}{4} (\frac{1}{5})^n = \frac{5}{16} (1- (\frac{1}{5})^{n-1} ) - \frac{(n-1)}{4 \cdot 5^{n-1}}
45Tn=1+2Vn+14(1(15)n1)n2(15)n\frac{4}{5} T_n = 1 + 2 V_n + \frac{1}{4}(1-\left(\frac{1}{5}\right)^{n-1}) - n^2 \cdot \left(\frac{1}{5}\right)^{n}
45Tn=1+58(1(15)n1)(n1)25n1+14(1(15)n1)n2(15)n\frac{4}{5} T_n = 1 + \frac{5}{8}(1- (\frac{1}{5})^{n-1} ) - \frac{(n-1)}{2 \cdot 5^{n-1}} + \frac{1}{4}(1-\left(\frac{1}{5}\right)^{n-1}) - n^2 \cdot \left(\frac{1}{5}\right)^{n}
45Tn=13858(15)n1(n1)2(15)n1(15)n2(15)n145n1\frac{4}{5} T_n = \frac{13}{8} - \frac{5}{8} (\frac{1}{5})^{n-1} - \frac{(n-1)}{2} (\frac{1}{5})^{n-1} (\frac{1}{5}) - n^2 (\frac{1}{5})^n - \frac{1}{4 \cdot 5^{n-1}}

3. 最終的な答え

Sn=1253215(4n2+10n+21)325nS_n = \frac{125}{32} - \frac{15(4n^2+10n+21)}{32 \cdot 5^n}

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