与えられた3つの和を計算します。 (1) $\sum_{k=1}^{n} k(k+1)$ (2) $\sum_{k=1}^{n} n \cdot 2^{k-1}$ (3) $1\cdot 2 + 3\cdot 4 + 5\cdot 6 + \cdots + (2n-1)\cdot 2n$

代数学数列シグマ級数
2025/5/4

1. 問題の内容

与えられた3つの和を計算します。
(1) k=1nk(k+1)\sum_{k=1}^{n} k(k+1)
(2) k=1nn2k1\sum_{k=1}^{n} n \cdot 2^{k-1}
(3) 12+34+56++(2n1)2n1\cdot 2 + 3\cdot 4 + 5\cdot 6 + \cdots + (2n-1)\cdot 2n

2. 解き方の手順

(1)
まず、k(k+1)k(k+1) を展開します。
k(k+1)=k2+kk(k+1) = k^2 + k
k=1nk(k+1)=k=1n(k2+k)=k=1nk2+k=1nk\sum_{k=1}^{n} k(k+1) = \sum_{k=1}^{n} (k^2 + k) = \sum_{k=1}^{n} k^2 + \sum_{k=1}^{n} k
k=1nk2=n(n+1)(2n+1)6\sum_{k=1}^{n} k^2 = \frac{n(n+1)(2n+1)}{6}
k=1nk=n(n+1)2\sum_{k=1}^{n} k = \frac{n(n+1)}{2}
k=1nk(k+1)=n(n+1)(2n+1)6+n(n+1)2=n(n+1)(2n+1)+3n(n+1)6=n(n+1)(2n+1+3)6=n(n+1)(2n+4)6=2n(n+1)(n+2)6=n(n+1)(n+2)3\sum_{k=1}^{n} k(k+1) = \frac{n(n+1)(2n+1)}{6} + \frac{n(n+1)}{2} = \frac{n(n+1)(2n+1) + 3n(n+1)}{6} = \frac{n(n+1)(2n+1+3)}{6} = \frac{n(n+1)(2n+4)}{6} = \frac{2n(n+1)(n+2)}{6} = \frac{n(n+1)(n+2)}{3}
(2)
k=1nn2k1=nk=1n2k1\sum_{k=1}^{n} n \cdot 2^{k-1} = n \sum_{k=1}^{n} 2^{k-1}
k=1n2k1=1+2+22++2n1=1(2n1)21=2n1\sum_{k=1}^{n} 2^{k-1} = 1 + 2 + 2^2 + \cdots + 2^{n-1} = \frac{1(2^n - 1)}{2-1} = 2^n - 1
k=1nn2k1=n(2n1)\sum_{k=1}^{n} n \cdot 2^{k-1} = n(2^n - 1)
(3)
一般項を求めます。an=(2n1)(2n)=4n22na_n = (2n-1)(2n) = 4n^2 - 2n
k=1n(4k22k)=4k=1nk22k=1nk=4n(n+1)(2n+1)62n(n+1)2=2n(n+1)(2n+1)3n(n+1)=2n(n+1)(2n+1)3n(n+1)3=n(n+1)(4n+23)3=n(n+1)(4n1)3\sum_{k=1}^{n} (4k^2 - 2k) = 4 \sum_{k=1}^{n} k^2 - 2 \sum_{k=1}^{n} k = 4 \frac{n(n+1)(2n+1)}{6} - 2 \frac{n(n+1)}{2} = \frac{2n(n+1)(2n+1)}{3} - n(n+1) = \frac{2n(n+1)(2n+1) - 3n(n+1)}{3} = \frac{n(n+1)(4n+2-3)}{3} = \frac{n(n+1)(4n-1)}{3}

3. 最終的な答え

(1) n(n+1)(n+2)3\frac{n(n+1)(n+2)}{3}
(2) n(2n1)n(2^n - 1)
(3) n(n+1)(4n1)3\frac{n(n+1)(4n-1)}{3}

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