## 1. 問題の内容

解析学数列の和極限部分分数分解等比数列等差数列級数
2025/5/2
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1. 問題の内容

以下の4つの数列の和を nn の式で表し、さらに nn \to \infty における極限を求めます。
(1) 1nn+2(n1)n+3(n2)n++n1n\frac{1 \cdot n}{n} + \frac{2 \cdot (n-1)}{n} + \frac{3 \cdot (n-2)}{n} + \dots + \frac{n \cdot 1}{n}
(2) 1135+1357+1579++1(2n1)(2n+1)(2n+3)\frac{1}{1 \cdot 3 \cdot 5} + \frac{1}{3 \cdot 5 \cdot 7} + \frac{1}{5 \cdot 7 \cdot 9} + \dots + \frac{1}{(2n-1)(2n+1)(2n+3)}
(3) 123+39427++n(3)n11 - \frac{2}{3} + \frac{3}{9} - \frac{4}{27} + \dots + \frac{n}{(-3)^{n-1}}
(4) 31222+52232+73242++2n+1n2(n+1)2\frac{3}{1^2 \cdot 2^2} + \frac{5}{2^2 \cdot 3^2} + \frac{7}{3^2 \cdot 4^2} + \dots + \frac{2n+1}{n^2(n+1)^2}
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2. 解き方の手順

### (1)
まず、一般項を求めます。第 kk 項は k(nk+1)n\frac{k(n - k + 1)}{n} と表せます。
したがって、和 SnS_n は次のようになります。
Sn=k=1nk(nk+1)n=1nk=1n(nkk2+k)S_n = \sum_{k=1}^{n} \frac{k(n - k + 1)}{n} = \frac{1}{n} \sum_{k=1}^{n} (nk - k^2 + k)
k=1nk=n(n+1)2\sum_{k=1}^{n} k = \frac{n(n+1)}{2}
k=1nk2=n(n+1)(2n+1)6\sum_{k=1}^{n} k^2 = \frac{n(n+1)(2n+1)}{6}
Sn=1n[nn(n+1)2n(n+1)(2n+1)6+n(n+1)2]S_n = \frac{1}{n} \left[ n \frac{n(n+1)}{2} - \frac{n(n+1)(2n+1)}{6} + \frac{n(n+1)}{2} \right]
Sn=n(n+1)2(n+1)(2n+1)6+n+12=3n2+3n2n23n1+3n+36=n2+3n+26S_n = \frac{n(n+1)}{2} - \frac{(n+1)(2n+1)}{6} + \frac{n+1}{2} = \frac{3n^2 + 3n - 2n^2 - 3n - 1 + 3n + 3}{6} = \frac{n^2 + 3n + 2}{6}
Sn=(n+1)(n+2)6S_n = \frac{(n+1)(n+2)}{6}
次に、nn \to \infty のときの極限を求めます。
limn(n+1)(n+2)6=limnn2+3n+26=\lim_{n \to \infty} \frac{(n+1)(n+2)}{6} = \lim_{n \to \infty} \frac{n^2 + 3n + 2}{6} = \infty
### (2)
一般項を部分分数分解します。
1(2k1)(2k+1)(2k+3)=A2k1+B2k+1+C2k+3\frac{1}{(2k-1)(2k+1)(2k+3)} = \frac{A}{2k-1} + \frac{B}{2k+1} + \frac{C}{2k+3}
1=A(2k+1)(2k+3)+B(2k1)(2k+3)+C(2k1)(2k+1)1 = A(2k+1)(2k+3) + B(2k-1)(2k+3) + C(2k-1)(2k+1)
k=12k = \frac{1}{2} のとき、1=A(2)(4)=8A    A=181 = A(2)(4) = 8A \implies A = \frac{1}{8}
k=12k = -\frac{1}{2} のとき、1=B(2)(2)=4B    B=141 = B(-2)(2) = -4B \implies B = -\frac{1}{4}
k=32k = -\frac{3}{2} のとき、1=C(4)(2)=8C    C=181 = C(-4)(-2) = 8C \implies C = \frac{1}{8}
1(2k1)(2k+1)(2k+3)=18(12k122k+1+12k+3)=18[(12k112k+1)(12k+112k+3)]\frac{1}{(2k-1)(2k+1)(2k+3)} = \frac{1}{8} \left( \frac{1}{2k-1} - \frac{2}{2k+1} + \frac{1}{2k+3} \right) = \frac{1}{8} \left[ (\frac{1}{2k-1} - \frac{1}{2k+1}) - (\frac{1}{2k+1} - \frac{1}{2k+3}) \right]
Sn=k=1n1(2k1)(2k+1)(2k+3)=18k=1n[(12k112k+1)(12k+112k+3)]S_n = \sum_{k=1}^{n} \frac{1}{(2k-1)(2k+1)(2k+3)} = \frac{1}{8} \sum_{k=1}^{n} \left[ (\frac{1}{2k-1} - \frac{1}{2k+1}) - (\frac{1}{2k+1} - \frac{1}{2k+3}) \right]
Sn=18[(113)+(1315)++(12n112n+1)(1315)(1517)(12n+112n+3)]S_n = \frac{1}{8} \left[ (1 - \frac{1}{3}) + (\frac{1}{3} - \frac{1}{5}) + \dots + (\frac{1}{2n-1} - \frac{1}{2n+1}) - (\frac{1}{3} - \frac{1}{5}) - (\frac{1}{5} - \frac{1}{7}) - \dots - (\frac{1}{2n+1} - \frac{1}{2n+3}) \right]
Sn=18[11312n+1+12n+3]=18(232(2n+1)(2n+3))=14(131(2n+1)(2n+3))S_n = \frac{1}{8} \left[ 1 - \frac{1}{3} - \frac{1}{2n+1} + \frac{1}{2n+3} \right] = \frac{1}{8} \left( \frac{2}{3} - \frac{2}{(2n+1)(2n+3)} \right) = \frac{1}{4} \left( \frac{1}{3} - \frac{1}{(2n+1)(2n+3)} \right)
Sn=14((2n+1)(2n+3)33(2n+1)(2n+3))=144n2+8n3(2n+1)(2n+3)=n(n+2)3(2n+1)(2n+3)S_n = \frac{1}{4} \left( \frac{(2n+1)(2n+3) - 3}{3(2n+1)(2n+3)} \right) = \frac{1}{4} \frac{4n^2 + 8n}{3(2n+1)(2n+3)} = \frac{n(n+2)}{3(2n+1)(2n+3)}
limnn(n+2)3(2n+1)(2n+3)=limnn2+2n12n2+18n+9=112\lim_{n \to \infty} \frac{n(n+2)}{3(2n+1)(2n+3)} = \lim_{n \to \infty} \frac{n^2+2n}{12n^2 + 18n + 9} = \frac{1}{12}
### (3)
Sn=k=1nk(3)k1S_n = \sum_{k=1}^{n} \frac{k}{(-3)^{k-1}}
これは等比数列と等差数列の積の和です。
Sn=123+39427++n(3)n1S_n = 1 - \frac{2}{3} + \frac{3}{9} - \frac{4}{27} + \dots + \frac{n}{(-3)^{n-1}}
13Sn=13+29327+n1(3)n1n(3)n-\frac{1}{3} S_n = -\frac{1}{3} + \frac{2}{9} - \frac{3}{27} + \dots - \frac{n-1}{(-3)^{n-1}} - \frac{n}{(-3)^n}
43Sn=113+19127++1(3)n1n(3)n\frac{4}{3} S_n = 1 - \frac{1}{3} + \frac{1}{9} - \frac{1}{27} + \dots + \frac{1}{(-3)^{n-1}} - \frac{n}{(-3)^n}
43Sn=k=0n11(3)kn(3)n\frac{4}{3} S_n = \sum_{k=0}^{n-1} \frac{1}{(-3)^k} - \frac{n}{(-3)^n}
k=0n11(3)k=1(13)n1(13)=1(13)n43=34(1(13)n)\sum_{k=0}^{n-1} \frac{1}{(-3)^k} = \frac{1 - (-\frac{1}{3})^n}{1 - (-\frac{1}{3})} = \frac{1 - (-\frac{1}{3})^n}{\frac{4}{3}} = \frac{3}{4} (1 - (-\frac{1}{3})^n)
43Sn=34(1(13)n)n(3)n\frac{4}{3} S_n = \frac{3}{4} (1 - (-\frac{1}{3})^n) - \frac{n}{(-3)^n}
Sn=916(1(13)n)34n(3)n=916916(13)n3n4(3)n=916+916(1)n+13n+3n(1)n+143nS_n = \frac{9}{16} (1 - (-\frac{1}{3})^n) - \frac{3}{4} \frac{n}{(-3)^n} = \frac{9}{16} - \frac{9}{16} (-\frac{1}{3})^n - \frac{3n}{4(-3)^n} = \frac{9}{16} + \frac{9}{16} \frac{(-1)^{n+1}}{3^n} + \frac{3n(-1)^{n+1}}{4 \cdot 3^n}
limnSn=limn[916+916(1)n+13n+3n(1)n+143n]\lim_{n \to \infty} S_n = \lim_{n \to \infty} \left[ \frac{9}{16} + \frac{9}{16} \frac{(-1)^{n+1}}{3^n} + \frac{3n(-1)^{n+1}}{4 \cdot 3^n} \right]
limnSn=916+0+0=916\lim_{n \to \infty} S_n = \frac{9}{16} + 0 + 0 = \frac{9}{16}
### (4)
2k+1k2(k+1)2=(k+1)2k2k2(k+1)2=1k21(k+1)2\frac{2k+1}{k^2(k+1)^2} = \frac{(k+1)^2 - k^2}{k^2(k+1)^2} = \frac{1}{k^2} - \frac{1}{(k+1)^2}
Sn=k=1n(1k21(k+1)2)=(1122)+(122132)++(1n21(n+1)2)S_n = \sum_{k=1}^{n} \left( \frac{1}{k^2} - \frac{1}{(k+1)^2} \right) = (1 - \frac{1}{2^2}) + (\frac{1}{2^2} - \frac{1}{3^2}) + \dots + (\frac{1}{n^2} - \frac{1}{(n+1)^2})
Sn=11(n+1)2S_n = 1 - \frac{1}{(n+1)^2}
limnSn=limn(11(n+1)2)=10=1\lim_{n \to \infty} S_n = \lim_{n \to \infty} \left( 1 - \frac{1}{(n+1)^2} \right) = 1 - 0 = 1
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3. 最終的な答え

(1) Sn=(n+1)(n+2)6S_n = \frac{(n+1)(n+2)}{6}, limnSn=\lim_{n \to \infty} S_n = \infty
(2) Sn=n(n+2)3(2n+1)(2n+3)S_n = \frac{n(n+2)}{3(2n+1)(2n+3)}, limnSn=112\lim_{n \to \infty} S_n = \frac{1}{12}
(3) Sn=916+916(1)n+13n+3n(1)n+143nS_n = \frac{9}{16} + \frac{9}{16} \frac{(-1)^{n+1}}{3^n} + \frac{3n(-1)^{n+1}}{4 \cdot 3^n}, limnSn=916\lim_{n \to \infty} S_n = \frac{9}{16}
(4) Sn=11(n+1)2S_n = 1 - \frac{1}{(n+1)^2}, limnSn=1\lim_{n \to \infty} S_n = 1

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