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

解析学数列級数等比数列無限級数
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} の等比数列であるとき、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 を求める問題です。

2. 解き方の手順

まず、数列 {an}\{a_n\} の一般項を求めます。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 (\frac{1}{5})^{n-1}
となります。
次に、 SnS_n の式に aka_k を代入します。
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}
ここで、k=1nk2(15)k1\sum_{k=1}^{n} k^2 (\frac{1}{5})^{k-1} の部分を計算します。
Tn=k=1nk2(15)k1=12+22(15)+32(15)2++n2(15)n1T_n = \sum_{k=1}^{n} k^2 (\frac{1}{5})^{k-1} = 1^2 + 2^2 (\frac{1}{5}) + 3^2 (\frac{1}{5})^2 + \cdots + n^2 (\frac{1}{5})^{n-1}
15Tn=12(15)+22(15)2+32(15)3++(n1)2(15)n1+n2(15)n\frac{1}{5} T_n = 1^2 (\frac{1}{5}) + 2^2 (\frac{1}{5})^2 + 3^2 (\frac{1}{5})^3 + \cdots + (n-1)^2 (\frac{1}{5})^{n-1} + n^2 (\frac{1}{5})^n
Tn15Tn=45Tn=1+(2212)(15)+(3222)(15)2++(n2(n1)2)(15)n1n2(15)nT_n - \frac{1}{5} T_n = \frac{4}{5} T_n = 1 + (2^2 - 1^2) (\frac{1}{5}) + (3^2 - 2^2) (\frac{1}{5})^2 + \cdots + (n^2 - (n-1)^2) (\frac{1}{5})^{n-1} - n^2 (\frac{1}{5})^n
45Tn=1+k=1n1((k+1)2k2)(15)kn25n=1+k=1n1(2k+1)(15)kn25n\frac{4}{5} T_n = 1 + \sum_{k=1}^{n-1} ( (k+1)^2 - k^2 ) (\frac{1}{5})^k - \frac{n^2}{5^n} = 1 + \sum_{k=1}^{n-1} (2k+1) (\frac{1}{5})^k - \frac{n^2}{5^n}
U=k=1n1(2k+1)(15)k=2k=1n1k(15)k+k=1n1(15)kU = \sum_{k=1}^{n-1} (2k+1) (\frac{1}{5})^k = 2 \sum_{k=1}^{n-1} k (\frac{1}{5})^k + \sum_{k=1}^{n-1} (\frac{1}{5})^k
k=1n1(15)k=15(1(15)n1)115=15(1(15)n1)45=1(15)n14\sum_{k=1}^{n-1} (\frac{1}{5})^k = \frac{\frac{1}{5}(1-(\frac{1}{5})^{n-1})}{1 - \frac{1}{5}} = \frac{\frac{1}{5}(1-(\frac{1}{5})^{n-1})}{\frac{4}{5}} = \frac{1-(\frac{1}{5})^{n-1}}{4}
k=1n1k(15)k=15+2(15)2+3(15)3++(n1)(15)n1\sum_{k=1}^{n-1} k (\frac{1}{5})^k = \frac{1}{5} + 2 (\frac{1}{5})^2 + 3 (\frac{1}{5})^3 + \cdots + (n-1) (\frac{1}{5})^{n-1}
15k=1n1k(15)k=(15)2+2(15)3++(n2)(15)n1+(n1)(15)n\frac{1}{5} \sum_{k=1}^{n-1} k (\frac{1}{5})^k = (\frac{1}{5})^2 + 2 (\frac{1}{5})^3 + \cdots + (n-2) (\frac{1}{5})^{n-1} + (n-1) (\frac{1}{5})^n
45k=1n1k(15)k=15+(15)2+(15)3++(15)n1(n1)(15)n\frac{4}{5} \sum_{k=1}^{n-1} k (\frac{1}{5})^k = \frac{1}{5} + (\frac{1}{5})^2 + (\frac{1}{5})^3 + \cdots + (\frac{1}{5})^{n-1} - (n-1) (\frac{1}{5})^n
=151(15)n1115(n1)(15)n=14(1(15)n1)n15n = \frac{1}{5} \frac{1 - (\frac{1}{5})^{n-1}}{1 - \frac{1}{5}} - (n-1) (\frac{1}{5})^n = \frac{1}{4} (1 - (\frac{1}{5})^{n-1}) - \frac{n-1}{5^n}
k=1n1k(15)k=54(14(1(15)n1)n15n)=516(115n1)5(n1)45n\sum_{k=1}^{n-1} k (\frac{1}{5})^k = \frac{5}{4} ( \frac{1}{4} (1 - (\frac{1}{5})^{n-1}) - \frac{n-1}{5^n} ) = \frac{5}{16} (1 - \frac{1}{5^{n-1}}) - \frac{5(n-1)}{4 \cdot 5^n}
U=2(516(115n1)5(n1)45n)+1(15)n14=58(115n1)5(n1)25n+14(115n1)U = 2 ( \frac{5}{16} (1 - \frac{1}{5^{n-1}}) - \frac{5(n-1)}{4 \cdot 5^n} ) + \frac{1-(\frac{1}{5})^{n-1}}{4} = \frac{5}{8} (1 - \frac{1}{5^{n-1}}) - \frac{5(n-1)}{2 \cdot 5^n} + \frac{1}{4} (1 - \frac{1}{5^{n-1}})
=78785n15(n1)25n=783585n10(n1)45n = \frac{7}{8} - \frac{7}{8 \cdot 5^{n-1}} - \frac{5(n-1)}{2 \cdot 5^n} = \frac{7}{8} - \frac{35}{8 \cdot 5^n} - \frac{10(n-1)}{4 \cdot 5^n}
45Tn=1+(783585n5(n1)25n)n25n=158(358+20(n1)8+8n28)15n\frac{4}{5} T_n = 1 + (\frac{7}{8} - \frac{35}{8 \cdot 5^n} - \frac{5(n-1)}{2 \cdot 5^n}) - \frac{n^2}{5^n} = \frac{15}{8} - (\frac{35}{8} + \frac{20(n-1)}{8} + \frac{8 n^2}{8} ) \frac{1}{5^n}
45Tn=1588n2+20n20+3585n=1588n2+20n+1585n\frac{4}{5} T_n = \frac{15}{8} - \frac{8n^2 + 20n - 20 + 35}{8 \cdot 5^n} = \frac{15}{8} - \frac{8n^2 + 20n + 15}{8 \cdot 5^n}
Tn=54(1588n2+20n+1585n)=75325(8n2+20n+15)325nT_n = \frac{5}{4} (\frac{15}{8} - \frac{8n^2 + 20n + 15}{8 \cdot 5^n}) = \frac{75}{32} - \frac{5(8n^2 + 20n + 15)}{32 \cdot 5^n}
Sn=3Tn=3(75325(8n2+20n+15)325n)=2253215(8n2+20n+15)325nS_n = 3 T_n = 3 (\frac{75}{32} - \frac{5(8n^2 + 20n + 15)}{32 \cdot 5^n}) = \frac{225}{32} - \frac{15(8n^2 + 20n + 15)}{32 \cdot 5^n}

3. 最終的な答え

Sn=2253215(8n2+20n+15)325nS_n = \frac{225}{32} - \frac{15(8n^2 + 20n + 15)}{32 \cdot 5^n}

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