与えられた3つの和の式について、それぞれの和を求める問題です。 (1) $\sum_{k=1}^{n} (2k - 2)$ (2) $\sum_{k=1}^{n} (4k^3 - 1)$ (3) $\sum_{k=1}^{n} (3k - 1)^2$

解析学シグマ数列和の公式
2025/5/16

1. 問題の内容

与えられた3つの和の式について、それぞれの和を求める問題です。
(1) k=1n(2k2)\sum_{k=1}^{n} (2k - 2)
(2) k=1n(4k31)\sum_{k=1}^{n} (4k^3 - 1)
(3) k=1n(3k1)2\sum_{k=1}^{n} (3k - 1)^2

2. 解き方の手順

(1) k=1n(2k2)\sum_{k=1}^{n} (2k - 2)
k=1n(2k2)=2k=1nkk=1n2\sum_{k=1}^{n} (2k - 2) = 2 \sum_{k=1}^{n} k - \sum_{k=1}^{n} 2
k=1nk=n(n+1)2\sum_{k=1}^{n} k = \frac{n(n+1)}{2}
k=1n2=2n\sum_{k=1}^{n} 2 = 2n
よって、
2k=1nkk=1n2=2n(n+1)22n=n(n+1)2n=n2+n2n=n2n=n(n1)2 \sum_{k=1}^{n} k - \sum_{k=1}^{n} 2 = 2 \cdot \frac{n(n+1)}{2} - 2n = n(n+1) - 2n = n^2 + n - 2n = n^2 - n = n(n-1)
(2) k=1n(4k31)\sum_{k=1}^{n} (4k^3 - 1)
k=1n(4k31)=4k=1nk3k=1n1\sum_{k=1}^{n} (4k^3 - 1) = 4 \sum_{k=1}^{n} k^3 - \sum_{k=1}^{n} 1
k=1nk3=(n(n+1)2)2=n2(n+1)24\sum_{k=1}^{n} k^3 = \left( \frac{n(n+1)}{2} \right)^2 = \frac{n^2(n+1)^2}{4}
k=1n1=n\sum_{k=1}^{n} 1 = n
よって、
4k=1nk3k=1n1=4n2(n+1)24n=n2(n+1)2n=n2(n2+2n+1)n=n4+2n3+n2n=n(n3+2n2+n1)4 \sum_{k=1}^{n} k^3 - \sum_{k=1}^{n} 1 = 4 \cdot \frac{n^2(n+1)^2}{4} - n = n^2(n+1)^2 - n = n^2(n^2 + 2n + 1) - n = n^4 + 2n^3 + n^2 - n = n(n^3 + 2n^2 + n - 1)
(3) k=1n(3k1)2\sum_{k=1}^{n} (3k - 1)^2
k=1n(3k1)2=k=1n(9k26k+1)=9k=1nk26k=1nk+k=1n1\sum_{k=1}^{n} (3k - 1)^2 = \sum_{k=1}^{n} (9k^2 - 6k + 1) = 9 \sum_{k=1}^{n} k^2 - 6 \sum_{k=1}^{n} k + \sum_{k=1}^{n} 1
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=1n1=n\sum_{k=1}^{n} 1 = n
よって、
9k=1nk26k=1nk+k=1n1=9n(n+1)(2n+1)66n(n+1)2+n=3n(n+1)(2n+1)23n(n+1)+n=3n(n+1)(2n+1)6n(n+1)+2n2=n(3(n+1)(2n+1)6(n+1)+2)2=n(3(2n2+3n+1)6n6+2)2=n(6n2+9n+36n4)2=n(6n2+3n1)29 \sum_{k=1}^{n} k^2 - 6 \sum_{k=1}^{n} k + \sum_{k=1}^{n} 1 = 9 \cdot \frac{n(n+1)(2n+1)}{6} - 6 \cdot \frac{n(n+1)}{2} + n = \frac{3n(n+1)(2n+1)}{2} - 3n(n+1) + n = \frac{3n(n+1)(2n+1) - 6n(n+1) + 2n}{2} = \frac{n(3(n+1)(2n+1) - 6(n+1) + 2)}{2} = \frac{n(3(2n^2+3n+1) - 6n - 6 + 2)}{2} = \frac{n(6n^2 + 9n + 3 - 6n - 4)}{2} = \frac{n(6n^2 + 3n - 1)}{2}

3. 最終的な答え

(1) n(n1)n(n-1)
(2) n(n3+2n2+n1)n(n^3 + 2n^2 + n - 1)
(3) n(6n2+3n1)2\frac{n(6n^2 + 3n - 1)}{2}

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