与えられた式 $\frac{4}{75}S_n = 2\left(\frac{5}{16} - \frac{4n+5}{16}\cdot \frac{1}{5^n}\right) - \frac{1}{4}\left\{1-\left(\frac{1}{5}\right)^n\right\} - n^2\left(\frac{1}{5}\right)^{n+1}$ を計算し、$S_n$ を求める問題です。

代数学数列級数計算
2025/4/17

1. 問題の内容

与えられた式 475Sn=2(5164n+51615n)14{1(15)n}n2(15)n+1\frac{4}{75}S_n = 2\left(\frac{5}{16} - \frac{4n+5}{16}\cdot \frac{1}{5^n}\right) - \frac{1}{4}\left\{1-\left(\frac{1}{5}\right)^n\right\} - n^2\left(\frac{1}{5}\right)^{n+1} を計算し、SnS_n を求める問題です。

2. 解き方の手順

まず、与えられた式を整理します。
475Sn=2(5164n+51615n)14{1(15)n}n2(15)n+1\frac{4}{75}S_n = 2\left(\frac{5}{16} - \frac{4n+5}{16}\cdot \frac{1}{5^n}\right) - \frac{1}{4}\left\{1-\left(\frac{1}{5}\right)^n\right\} - n^2\left(\frac{1}{5}\right)^{n+1}
右辺を展開します。
475Sn=10168n+101615n14+1415nn215n+1\frac{4}{75}S_n = \frac{10}{16} - \frac{8n+10}{16}\cdot \frac{1}{5^n} - \frac{1}{4} + \frac{1}{4} \cdot \frac{1}{5^n} - n^2 \cdot \frac{1}{5^{n+1}}
475Sn=58148n+101615n+1415nn2515n\frac{4}{75}S_n = \frac{5}{8} - \frac{1}{4} - \frac{8n+10}{16}\cdot \frac{1}{5^n} + \frac{1}{4} \cdot \frac{1}{5^n} - \frac{n^2}{5} \cdot \frac{1}{5^n}
475Sn=58288n+101615n+41615nn2515n\frac{4}{75}S_n = \frac{5}{8} - \frac{2}{8} - \frac{8n+10}{16}\cdot \frac{1}{5^n} + \frac{4}{16} \cdot \frac{1}{5^n} - \frac{n^2}{5} \cdot \frac{1}{5^n}
475Sn=388n+1041615nn2515n\frac{4}{75}S_n = \frac{3}{8} - \frac{8n+10-4}{16}\cdot \frac{1}{5^n} - \frac{n^2}{5} \cdot \frac{1}{5^n}
475Sn=388n+61615nn2515n\frac{4}{75}S_n = \frac{3}{8} - \frac{8n+6}{16}\cdot \frac{1}{5^n} - \frac{n^2}{5} \cdot \frac{1}{5^n}
475Sn=38(8n+616+n25)15n\frac{4}{75}S_n = \frac{3}{8} - \left(\frac{8n+6}{16} + \frac{n^2}{5}\right) \frac{1}{5^n}
475Sn=38(5(8n+6)+16n280)15n\frac{4}{75}S_n = \frac{3}{8} - \left(\frac{5(8n+6) + 16n^2}{80}\right) \frac{1}{5^n}
475Sn=38(40n+30+16n280)15n\frac{4}{75}S_n = \frac{3}{8} - \left(\frac{40n+30 + 16n^2}{80}\right) \frac{1}{5^n}
475Sn=38(16n2+40n+3080)15n\frac{4}{75}S_n = \frac{3}{8} - \left(\frac{16n^2+40n+30}{80}\right) \frac{1}{5^n}
475Sn=38(8n2+20n+1540)15n\frac{4}{75}S_n = \frac{3}{8} - \left(\frac{8n^2+20n+15}{40}\right) \frac{1}{5^n}
両辺に 754\frac{75}{4} をかけます。
Sn=754[38(8n2+20n+1540)15n]S_n = \frac{75}{4}\left[\frac{3}{8} - \left(\frac{8n^2+20n+15}{40}\right) \frac{1}{5^n}\right]
Sn=22532754(8n2+20n+1540)15nS_n = \frac{225}{32} - \frac{75}{4} \cdot \left(\frac{8n^2+20n+15}{40}\right) \frac{1}{5^n}
Sn=22532158(8n2+20n+158)15nS_n = \frac{225}{32} - \frac{15}{8} \cdot \left(\frac{8n^2+20n+15}{8}\right) \frac{1}{5^n}
Sn=22532(120n2+300n+225320)15nS_n = \frac{225}{32} - \left(\frac{120n^2 + 300n + 225}{320}\right)\frac{1}{5^n}
Sn=22532(24n2+60n+4564)15nS_n = \frac{225}{32} - \left(\frac{24n^2 + 60n + 45}{64}\right)\frac{1}{5^n}

3. 最終的な答え

Sn=22532(24n2+60n+4564)15nS_n = \frac{225}{32} - \left(\frac{24n^2 + 60n + 45}{64}\right) \frac{1}{5^n}

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