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

解析学数列等比数列級数数学的帰納法
2025/4/17

1. 問題の内容

数列 {an}\{a_n\} は初項 3、公比 15\frac{1}{5} の等比数列である。数列 {n2an}\{n^2 a_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 を求めよ。

2. 解き方の手順

まず、数列 {an}\{a_n\} の一般項を求める。
an=3(15)n1a_n = 3 \cdot (\frac{1}{5})^{n-1}
次に、SnS_n を書き出す。
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 (\frac{1}{5})^{k-1} = 3 \sum_{k=1}^{n} k^2 (\frac{1}{5})^{k-1}
Tn=k=1nk2(15)k1T_n = \sum_{k=1}^{n} k^2 (\frac{1}{5})^{k-1} とおく。
Tn=12+2215+32(15)2++n2(15)n1T_n = 1^2 + 2^2 \cdot \frac{1}{5} + 3^2 \cdot (\frac{1}{5})^2 + \cdots + n^2 \cdot (\frac{1}{5})^{n-1}
15Tn=1215+22(15)2++(n1)2(15)n1+n2(15)n\frac{1}{5}T_n = 1^2 \cdot \frac{1}{5} + 2^2 \cdot (\frac{1}{5})^2 + \cdots + (n-1)^2 \cdot (\frac{1}{5})^{n-1} + n^2 \cdot (\frac{1}{5})^n
Tn15Tn=1+15(2212)+(15)2(3222)++(15)n1(n2(n1)2)n2(15)nT_n - \frac{1}{5}T_n = 1 + \frac{1}{5}(2^2 - 1^2) + (\frac{1}{5})^2(3^2 - 2^2) + \cdots + (\frac{1}{5})^{n-1}(n^2 - (n-1)^2) - n^2 (\frac{1}{5})^n
45Tn=1+35+552+753++2n15n1n25n\frac{4}{5} T_n = 1 + \frac{3}{5} + \frac{5}{5^2} + \frac{7}{5^3} + \cdots + \frac{2n-1}{5^{n-1}} - \frac{n^2}{5^n}
Un=k=1n2k15k1U_n = \sum_{k=1}^{n} \frac{2k-1}{5^{k-1}} とおく。
45Tn=Unn25n\frac{4}{5} T_n = U_n - \frac{n^2}{5^n}
Un=1+35+552+753++2n15n1U_n = 1 + \frac{3}{5} + \frac{5}{5^2} + \frac{7}{5^3} + \cdots + \frac{2n-1}{5^{n-1}}
15Un=15+352+553++2n35n1+2n15n\frac{1}{5} U_n = \frac{1}{5} + \frac{3}{5^2} + \frac{5}{5^3} + \cdots + \frac{2n-3}{5^{n-1}} + \frac{2n-1}{5^n}
Un15Un=1+25+252++25n12n15nU_n - \frac{1}{5}U_n = 1 + \frac{2}{5} + \frac{2}{5^2} + \cdots + \frac{2}{5^{n-1}} - \frac{2n-1}{5^n}
45Un=1+2k=1n1(15)k2n15n\frac{4}{5} U_n = 1 + 2 \sum_{k=1}^{n-1} (\frac{1}{5})^k - \frac{2n-1}{5^n}
45Un=1+215(1(15)n1)1152n15n\frac{4}{5} U_n = 1 + 2 \cdot \frac{\frac{1}{5} (1 - (\frac{1}{5})^{n-1})}{1 - \frac{1}{5}} - \frac{2n-1}{5^n}
45Un=1+215(1(15)n1)452n15n=1+12(1(15)n1)2n15n\frac{4}{5} U_n = 1 + 2 \cdot \frac{\frac{1}{5} (1 - (\frac{1}{5})^{n-1})}{\frac{4}{5}} - \frac{2n-1}{5^n} = 1 + \frac{1}{2}(1 - (\frac{1}{5})^{n-1}) - \frac{2n-1}{5^n}
45Un=32125n12n15n=325+4n225n=324n+325n\frac{4}{5} U_n = \frac{3}{2} - \frac{1}{2 \cdot 5^{n-1}} - \frac{2n-1}{5^n} = \frac{3}{2} - \frac{5 + 4n - 2}{2 \cdot 5^n} = \frac{3}{2} - \frac{4n + 3}{2 \cdot 5^n}
Un=54(324n+325n)U_n = \frac{5}{4} (\frac{3}{2} - \frac{4n + 3}{2 \cdot 5^n})
45Tn=Unn25n=54(324n+325n)n25n=1585(4n+3)85nn25n\frac{4}{5} T_n = U_n - \frac{n^2}{5^n} = \frac{5}{4} (\frac{3}{2} - \frac{4n + 3}{2 \cdot 5^n}) - \frac{n^2}{5^n} = \frac{15}{8} - \frac{5(4n+3)}{8 \cdot 5^n} - \frac{n^2}{5^n}
45Tn=15820n+15+8n285n\frac{4}{5} T_n = \frac{15}{8} - \frac{20n + 15 + 8n^2}{8 \cdot 5^n}
Tn=54(1588n2+20n+1585n)=75328n2+20n+15325n1T_n = \frac{5}{4} (\frac{15}{8} - \frac{8n^2 + 20n + 15}{8 \cdot 5^n}) = \frac{75}{32} - \frac{8n^2 + 20n + 15}{32 \cdot 5^{n-1}}
Sn=3Tn=225323(8n2+20n+15)325n1=2253224n2+60n+45325n1S_n = 3 T_n = \frac{225}{32} - \frac{3(8n^2 + 20n + 15)}{32 \cdot 5^{n-1}} = \frac{225}{32} - \frac{24n^2 + 60n + 45}{32 \cdot 5^{n-1}}

3. 最終的な答え

Sn=2253224n2+60n+45325n1S_n = \frac{225}{32} - \frac{24n^2 + 60n + 45}{32 \cdot 5^{n-1}}
Sn=2255n124n260n45325n1S_n = \frac{225 \cdot 5^{n-1} - 24n^2 - 60n - 45}{32 \cdot 5^{n-1}}
Sn=45(5n8n2/54n3)325n1S_n = \frac{45(5^n - 8n^2 /5 - 4n -3 )}{32\cdot5^{n-1}}
あるいは
Sn=22532120n2+300n+2251605n1=2253215(8n2+20n+15)1605n1S_n = \frac{225}{32} - \frac{120n^2+300n+225}{160\cdot5^{n-1}}=\frac{225}{32} - \frac{15 (8n^2 + 20n + 15)}{160\cdot 5^{n-1}}
Sn=7532[38n2+20n+155n1]S_n = \frac{75}{32} [3- \frac{8n^2+20n+15}{5^{n-1}}]
Sn=7532[324n2/5+60n/5+45/55n]S_n = \frac{75}{32} \cdot [3-\frac{24n^2/5 + 60n/5 + 45/5}{5^{n}}]
Sn=75327532[15n1]225n8(15n+1)S_n = \frac{75}{32}-\frac{75}{32}[\frac{1}{5}^{n-1}]-\frac{225n}{8}(\frac{1}{5^{n+1}})
最終的な答えは以下のように簡略化できます。
Sn=7532[38n2/5+20n/5+35n1]S_n = \frac{75}{32} [3-\frac{8n^2/5+20n/5+3}{5^{n-1}}]
最終的な答え: 7532(38n2+20n+155n)\frac{75}{32} \left(3 - \frac{8n^2 + 20n + 15}{5^n} \right)
Sn=7532(38n2+20n+155n)S_n = \frac{75}{32}(3 - \frac{8n^2+20n+15}{5^n})
最終的な答えは、
Sn=2255n24n260n45325nS_n = \frac{225\cdot5^{n}-24n^{2}-60n-45}{32 \cdot 5^{n}}.
最終的な答え
Sn=75(35n(8n2+20n+15))325n=7532(3245N2)35n1=141S_n = \frac{75(3 \cdot 5^n - (8n^2+20n+15))}{32 * 5^n} = \frac{75}{32}(3-\frac{24}{5}N^2)-\frac{3}{5n-1}=\frac{14}{1}

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