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 $\{n^2a_n\}$ 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数学的帰納法
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^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。等比数列の一般項は an=a1rn1a_n = a_1 r^{n-1} で表されるので、an=3(15)n1a_n = 3 \cdot \left(\frac{1}{5}\right)^{n-1} である。
次に、SnS_n の式に代入して Sn=k=1nk23(15)k1=3k=1nk2(15)k1S_n = \sum_{k=1}^n k^2 \cdot 3 \cdot \left(\frac{1}{5}\right)^{k-1} = 3 \sum_{k=1}^n k^2 \left(\frac{1}{5}\right)^{k-1} となる。
Tn=k=1nk2(15)k1T_n = \sum_{k=1}^n k^2 \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 + \cdots + n^2 \left(\frac{1}{5}\right)^{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 \left(\frac{1}{5}\right)^2 + \cdots + (n-1)^2 \left(\frac{1}{5}\right)^{n-1} + n^2 \left(\frac{1}{5}\right)^n
Tn15Tn=1+k=2n(k2(k1)2)(15)k1n2(15)nT_n - \frac{1}{5} T_n = 1 + \sum_{k=2}^n (k^2 - (k-1)^2) \left(\frac{1}{5}\right)^{k-1} - n^2 \left(\frac{1}{5}\right)^n
45Tn=1+k=2n(2k1)(15)k1n2(15)n\frac{4}{5} T_n = 1 + \sum_{k=2}^n (2k-1) \left(\frac{1}{5}\right)^{k-1} - n^2 \left(\frac{1}{5}\right)^n
45Tn=1+k=1n1(2(k+1)1)(15)kn2(15)n\frac{4}{5} T_n = 1 + \sum_{k=1}^{n-1} (2(k+1)-1) \left(\frac{1}{5}\right)^k - n^2 \left(\frac{1}{5}\right)^n
45Tn=1+k=1n1(2k+1)(15)kn2(15)n\frac{4}{5} T_n = 1 + \sum_{k=1}^{n-1} (2k+1) \left(\frac{1}{5}\right)^k - n^2 \left(\frac{1}{5}\right)^n
Un1=k=1n1(2k+1)(15)kU_{n-1} = \sum_{k=1}^{n-1} (2k+1) \left(\frac{1}{5}\right)^k とおくと、
Un1=315+5(15)2++(2(n1)+1)(15)n1U_{n-1} = 3 \cdot \frac{1}{5} + 5 \cdot \left(\frac{1}{5}\right)^2 + \cdots + (2(n-1)+1) \left(\frac{1}{5}\right)^{n-1}
15Un1=3(15)2+5(15)3++(2(n2)+1)(15)n1+(2(n1)+1)(15)n\frac{1}{5} U_{n-1} = 3 \cdot \left(\frac{1}{5}\right)^2 + 5 \cdot \left(\frac{1}{5}\right)^3 + \cdots + (2(n-2)+1) \left(\frac{1}{5}\right)^{n-1} + (2(n-1)+1) \left(\frac{1}{5}\right)^n
Un115Un1=35+k=2n12(15)k(2n1)(15)nU_{n-1} - \frac{1}{5} U_{n-1} = \frac{3}{5} + \sum_{k=2}^{n-1} 2 \left(\frac{1}{5}\right)^k - (2n-1) \left(\frac{1}{5}\right)^n
45Un1=35+2k=2n1(15)k(2n1)(15)n\frac{4}{5} U_{n-1} = \frac{3}{5} + 2 \sum_{k=2}^{n-1} \left(\frac{1}{5}\right)^k - (2n-1) \left(\frac{1}{5}\right)^n
45Un1=35+2(125(1(15)n2)115)(2n1)(15)n\frac{4}{5} U_{n-1} = \frac{3}{5} + 2 \left(\frac{\frac{1}{25} \left(1 - \left(\frac{1}{5}\right)^{n-2} \right)}{1 - \frac{1}{5}}\right) - (2n-1) \left(\frac{1}{5}\right)^n
45Un1=35+12(15(15)n1)(2n1)(15)n\frac{4}{5} U_{n-1} = \frac{3}{5} + \frac{1}{2} \left(\frac{1}{5} - \left(\frac{1}{5}\right)^{n-1} \right) - (2n-1) \left(\frac{1}{5}\right)^n
45Un1=35+11012(15)n1(2n1)(15)n=71052(15)n(2n1)(15)n\frac{4}{5} U_{n-1} = \frac{3}{5} + \frac{1}{10} - \frac{1}{2} \left(\frac{1}{5}\right)^{n-1} - (2n-1) \left(\frac{1}{5}\right)^n = \frac{7}{10} - \frac{5}{2} \left(\frac{1}{5}\right)^n - (2n-1)\left(\frac{1}{5}\right)^n
Un1=358258(15)n54(2n1)(15)n=35858(10n5+5)(15)n=35850n8(15)n=358254(15)n1n5U_{n-1} = \frac{35}{8} - \frac{25}{8} \left(\frac{1}{5}\right)^n - \frac{5}{4} (2n-1) \left(\frac{1}{5}\right)^n = \frac{35}{8} - \frac{5}{8}(10n-5+5)(\frac{1}{5})^n = \frac{35}{8} - \frac{50n}{8} (\frac{1}{5})^n = \frac{35}{8} - \frac{25}{4} (\frac{1}{5})^{n-1} \frac{n}{5}
45Tn=1+Un1n2(15)n=1+3585n4(15)nn2(15)n=4385n+4n24(15)n\frac{4}{5} T_n = 1 + U_{n-1} - n^2 \left(\frac{1}{5}\right)^n = 1 + \frac{35}{8} - \frac{5n}{4}(\frac{1}{5})^n - n^2 \left(\frac{1}{5}\right)^n = \frac{43}{8} - \frac{5n + 4n^2}{4} \left(\frac{1}{5}\right)^n
Tn=54(4385n+4n24(15)n)=215325n+4n216(15)n1T_n = \frac{5}{4} \left(\frac{43}{8} - \frac{5n + 4n^2}{4} \left(\frac{1}{5}\right)^n \right) = \frac{215}{32} - \frac{5n + 4n^2}{16} \left(\frac{1}{5}\right)^{n-1}
Sn=3Tn=645323(5n+4n2)16(15)n1S_n = 3 T_n = \frac{645}{32} - \frac{3(5n+4n^2)}{16}(\frac{1}{5})^{n-1}

3. 最終的な答え

Sn=645323(4n2+5n)16(15)n1S_n = \frac{645}{32} - \frac{3(4n^2+5n)}{16} \cdot \left(\frac{1}{5}\right)^{n-1}
または
Sn=6453212n2+15n16(15)n1S_n = \frac{645}{32} - \frac{12n^2+15n}{16} \cdot \left(\frac{1}{5}\right)^{n-1}

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