数列 $\{a_n\}$ は初項が3、公比が$\frac{1}{5}$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Σ極限
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。数列 {n2an}\{n^2 a_n\} の初項から第n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。初項が3、公比が15\frac{1}{5}なので、
an=3(15)n1 a_n = 3 \left(\frac{1}{5}\right)^{n-1}
したがって、
Sn=k=1nk2ak=k=1nk23(15)k1=3k=1nk2(15)k1 S_n = \sum_{k=1}^n k^2 a_k = \sum_{k=1}^n k^2 \cdot 3 \left(\frac{1}{5}\right)^{k-1} = 3 \sum_{k=1}^n k^2 \left(\frac{1}{5}\right)^{k-1}
Tn=k=1nk2xk1T_n = \sum_{k=1}^n k^2 x^{k-1} とおくと、Sn=3TnS_n = 3T_n (ただし、x=15x=\frac{1}{5})。
Tn=12+22x+32x2++n2xn1 T_n = 1^2 + 2^2x + 3^2x^2 + \cdots + n^2 x^{n-1}
両辺に xx をかけると、
xTn=12x+22x2+32x3++n2xn xT_n = 1^2x + 2^2x^2 + 3^2x^3 + \cdots + n^2 x^{n}
TnxTn=(1x)TnT_n - xT_n = (1-x)T_n を計算する。
(1x)Tn=1+(2212)x+(3222)x2++(n2(n1)2)xn1n2xn (1-x)T_n = 1 + (2^2-1^2)x + (3^2-2^2)x^2 + \cdots + (n^2 - (n-1)^2)x^{n-1} - n^2x^n
(1x)Tn=1+3x+5x2++(2n1)xn1n2xn (1-x)T_n = 1 + 3x + 5x^2 + \cdots + (2n-1)x^{n-1} - n^2x^n
Un=1+3x+5x2++(2n1)xn1U_n = 1 + 3x + 5x^2 + \cdots + (2n-1)x^{n-1} とおくと、
xUn=x+3x2+5x3++(2n1)xn xU_n = x + 3x^2 + 5x^3 + \cdots + (2n-1)x^n
(1x)Un=1+2x+2x2++2xn1(2n1)xn=1+2k=1n1xk(2n1)xn (1-x)U_n = 1 + 2x + 2x^2 + \cdots + 2x^{n-1} - (2n-1)x^n = 1 + 2\sum_{k=1}^{n-1} x^k - (2n-1)x^n
=1+2x(1xn1)1x(2n1)xn=1x+2x2xn1x(2n1)xn=1+x2xn1x(2n1)xn = 1 + 2 \frac{x(1-x^{n-1})}{1-x} - (2n-1)x^n = \frac{1-x+2x-2x^n}{1-x} - (2n-1)x^n = \frac{1+x-2x^n}{1-x} - (2n-1)x^n
(1x)Un=1+x1x2xn1x(2n1)xn=1+x1x2xn1x(2n1)(1x)xn1x (1-x)U_n = \frac{1+x}{1-x} - \frac{2x^n}{1-x} - (2n-1)x^n = \frac{1+x}{1-x} - \frac{2x^n}{1-x} - \frac{(2n-1)(1-x)x^n}{1-x}
=1+x2xn(2n1)(1x)xn1x=1+x2xn(2n1)xn+(2n1)xn+11x=1+x(2n+1)xn+(2n1)xn+11x = \frac{1+x - 2x^n - (2n-1)(1-x)x^n}{1-x} = \frac{1+x - 2x^n - (2n-1)x^n + (2n-1)x^{n+1}}{1-x} = \frac{1+x - (2n+1)x^n + (2n-1)x^{n+1}}{1-x}
Un=1+x(2n+1)xn+(2n1)xn+1(1x)2 U_n = \frac{1+x - (2n+1)x^n + (2n-1)x^{n+1}}{(1-x)^2}
(1x)Tn=Unn2xn (1-x)T_n = U_n - n^2x^n
(1x)Tn=1+x(2n+1)xn+(2n1)xn+1(1x)2n2xn (1-x)T_n = \frac{1+x - (2n+1)x^n + (2n-1)x^{n+1}}{(1-x)^2} - n^2 x^n
=1+x(2n+1)xn+(2n1)xn+1n2xn(1x)2(1x)2 = \frac{1+x - (2n+1)x^n + (2n-1)x^{n+1} - n^2x^n (1-x)^2}{(1-x)^2}
=1+x(2n+1)xn+(2n1)xn+1n2xn(12x+x2)(1x)2=1+x(2n+1)xn+(2n1)xn+1n2xn+2n2xn+1n2xn+2(1x)2 = \frac{1+x - (2n+1)x^n + (2n-1)x^{n+1} - n^2x^n (1-2x+x^2)}{(1-x)^2} = \frac{1+x - (2n+1)x^n + (2n-1)x^{n+1} - n^2x^n + 2n^2x^{n+1} - n^2x^{n+2}}{(1-x)^2}
Tn=1+x(2n+1+n2)xn+(2n1+2n2)xn+1n2xn+2(1x)3 T_n = \frac{1+x - (2n+1+n^2)x^n + (2n-1+2n^2)x^{n+1} - n^2x^{n+2}}{(1-x)^3}
x=15x = \frac{1}{5} なので、1x=451-x = \frac{4}{5}, (1x)2=1625(1-x)^2 = \frac{16}{25}, (1x)3=64125(1-x)^3 = \frac{64}{125}
Tn=1+15(2n+1+n2)(15)n+(2n1+2n2)(15)n+1n2(15)n+2(45)3 T_n = \frac{1+\frac{1}{5} - (2n+1+n^2) (\frac{1}{5})^n + (2n-1+2n^2) (\frac{1}{5})^{n+1} - n^2 (\frac{1}{5})^{n+2}}{(\frac{4}{5})^3}
Tn=65(2n+1+n2)(15)n+(2n1+2n2)(15)n+1n2(15)n+264125 T_n = \frac{\frac{6}{5} - (2n+1+n^2) (\frac{1}{5})^n + (2n-1+2n^2) (\frac{1}{5})^{n+1} - n^2 (\frac{1}{5})^{n+2}}{\frac{64}{125}}
Tn=12564[65(2n+1+n2)(15)n+(2n1+2n2)(15)n+1n2(15)n+2] T_n = \frac{125}{64} \left[ \frac{6}{5} - \left(2n+1+n^2\right) \left(\frac{1}{5}\right)^n + \left(2n-1+2n^2\right) \left(\frac{1}{5}\right)^{n+1} - n^2 \left(\frac{1}{5}\right)^{n+2} \right]
Sn=3Tn=37564[65(2n+1+n2)(15)n+(2n1+2n2)(15)n+1n2(15)n+2] S_n = 3 T_n = \frac{375}{64} \left[ \frac{6}{5} - \left(2n+1+n^2\right) \left(\frac{1}{5}\right)^n + \left(2n-1+2n^2\right) \left(\frac{1}{5}\right)^{n+1} - n^2 \left(\frac{1}{5}\right)^{n+2} \right]

3. 最終的な答え

Sn=37564[652n+1+n25n+2n1+2n25n+1n25n+2] S_n = \frac{375}{64} \left[ \frac{6}{5} - \frac{2n+1+n^2}{5^n} + \frac{2n-1+2n^2}{5^{n+1}} - \frac{n^2}{5^{n+2}} \right]
Sn=4506437564[2n+1+n25n2n1+2n25n+1+n25n+2] S_n = \frac{450}{64} - \frac{375}{64} \left[ \frac{2n+1+n^2}{5^n} - \frac{2n-1+2n^2}{5^{n+1}} + \frac{n^2}{5^{n+2}} \right]
Sn=22532375645n+2[25(n2+2n+1)5(2n2+2n1)+n2] S_n = \frac{225}{32} - \frac{375}{64 \cdot 5^{n+2}} [25(n^2+2n+1) - 5(2n^2+2n-1)+n^2]
Sn=22532375645n+2[25n2+50n+2510n210n+5+n2] S_n = \frac{225}{32} - \frac{375}{64 \cdot 5^{n+2}} [25n^2+50n+25 - 10n^2 - 10n+5 + n^2]
Sn=22532375645n+2[16n2+40n+30] S_n = \frac{225}{32} - \frac{375}{64 \cdot 5^{n+2}} [16n^2 + 40n + 30]
Sn=22532375645n+2[2(8n2+20n+15)]=22532375325n+2[(8n2+20n+15)5] S_n = \frac{225}{32} - \frac{375}{64 \cdot 5^{n+2}} [2(8n^2 + 20n + 15)] = \frac{225}{32} - \frac{375}{32 \cdot 5^{n+2}} [\frac{(8n^2+20n+15)}{5}]
Sn=22532750(8n2+20n+15)64(5n+2) S_n = \frac{225}{32} - \frac{750(8n^2+20n+15)}{64(5^{n+2})}
Sn=22532375(8n2+20n+15)325n+3S_n = \frac{225}{32} - \frac{375(8n^2+20n+15)}{32 \cdot 5^{n+3}}
Sn=225327532(8n2+20n+15)5n+2S_n = \frac{225}{32} - \frac{75}{32} \frac{(8n^2+20n+15)}{5^{n+2}}
Sn=2253275(8n2+20n+15)325n+2 S_n = \frac{225}{32} - \frac{75(8n^2 + 20n + 15)}{32 \cdot 5^{n+2}}

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