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1. 問題の内容
以下の4つの数列の和を n の式で表し、さらに n→∞ における極限を求めます。
(1) n1⋅n+n2⋅(n−1)+n3⋅(n−2)+⋯+nn⋅1
(2) 1⋅3⋅51+3⋅5⋅71+5⋅7⋅91+⋯+(2n−1)(2n+1)(2n+3)1
(3) 1−32+93−274+⋯+(−3)n−1n
(4) 12⋅223+22⋅325+32⋅427+⋯+n2(n+1)22n+1
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2. 解き方の手順
### (1)
まず、一般項を求めます。第 k 項は nk(n−k+1) と表せます。
したがって、和 Sn は次のようになります。
Sn=∑k=1nnk(n−k+1)=n1∑k=1n(nk−k2+k)
∑k=1nk=2n(n+1)
∑k=1nk2=6n(n+1)(2n+1)
Sn=n1[n2n(n+1)−6n(n+1)(2n+1)+2n(n+1)]
Sn=2n(n+1)−6(n+1)(2n+1)+2n+1=63n2+3n−2n2−3n−1+3n+3=6n2+3n+2
Sn=6(n+1)(n+2)
次に、n→∞ のときの極限を求めます。
limn→∞6(n+1)(n+2)=limn→∞6n2+3n+2=∞
### (2)
一般項を部分分数分解します。
(2k−1)(2k+1)(2k+3)1=2k−1A+2k+1B+2k+3C
1=A(2k+1)(2k+3)+B(2k−1)(2k+3)+C(2k−1)(2k+1)
k=21 のとき、1=A(2)(4)=8A⟹A=81
k=−21 のとき、1=B(−2)(2)=−4B⟹B=−41
k=−23 のとき、1=C(−4)(−2)=8C⟹C=81
(2k−1)(2k+1)(2k+3)1=81(2k−11−2k+12+2k+31)=81[(2k−11−2k+11)−(2k+11−2k+31)]
Sn=∑k=1n(2k−1)(2k+1)(2k+3)1=81∑k=1n[(2k−11−2k+11)−(2k+11−2k+31)]
Sn=81[(1−31)+(31−51)+⋯+(2n−11−2n+11)−(31−51)−(51−71)−⋯−(2n+11−2n+31)]
Sn=81[1−31−2n+11+2n+31]=81(32−(2n+1)(2n+3)2)=41(31−(2n+1)(2n+3)1)
Sn=41(3(2n+1)(2n+3)(2n+1)(2n+3)−3)=413(2n+1)(2n+3)4n2+8n=3(2n+1)(2n+3)n(n+2)
limn→∞3(2n+1)(2n+3)n(n+2)=limn→∞12n2+18n+9n2+2n=121
### (3)
Sn=∑k=1n(−3)k−1k
これは等比数列と等差数列の積の和です。
Sn=1−32+93−274+⋯+(−3)n−1n
−31Sn=−31+92−273+⋯−(−3)n−1n−1−(−3)nn
34Sn=1−31+91−271+⋯+(−3)n−11−(−3)nn
34Sn=∑k=0n−1(−3)k1−(−3)nn
∑k=0n−1(−3)k1=1−(−31)1−(−31)n=341−(−31)n=43(1−(−31)n)
34Sn=43(1−(−31)n)−(−3)nn
Sn=169(1−(−31)n)−43(−3)nn=169−169(−31)n−4(−3)n3n=169+1693n(−1)n+1+4⋅3n3n(−1)n+1
limn→∞Sn=limn→∞[169+1693n(−1)n+1+4⋅3n3n(−1)n+1]
limn→∞Sn=169+0+0=169
### (4)
k2(k+1)22k+1=k2(k+1)2(k+1)2−k2=k21−(k+1)21
Sn=∑k=1n(k21−(k+1)21)=(1−221)+(221−321)+⋯+(n21−(n+1)21)
Sn=1−(n+1)21
limn→∞Sn=limn→∞(1−(n+1)21)=1−0=1
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3. 最終的な答え
(1) Sn=6(n+1)(n+2), limn→∞Sn=∞
(2) Sn=3(2n+1)(2n+3)n(n+2), limn→∞Sn=121
(3) Sn=169+1693n(−1)n+1+4⋅3n3n(−1)n+1, limn→∞Sn=169
(4) Sn=1−(n+1)21, limn→∞Sn=1