次の3つの和を求めます。 (1) $\sum_{k=1}^{n} k(k-1)$ (2) $1 \cdot 3 + 2 \cdot 5 + 3 \cdot 7 + \dots + n(2n+1)$ (3) $1^2 + 3^2 + 5^2 + \dots + (2n-1)^2$

代数学数列シグマ級数公式
2025/5/18

1. 問題の内容

次の3つの和を求めます。
(1) k=1nk(k1)\sum_{k=1}^{n} k(k-1)
(2) 13+25+37++n(2n+1)1 \cdot 3 + 2 \cdot 5 + 3 \cdot 7 + \dots + n(2n+1)
(3) 12+32+52++(2n1)21^2 + 3^2 + 5^2 + \dots + (2n-1)^2

2. 解き方の手順

(1) k=1nk(k1)=k=1n(k2k)=k=1nk2k=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}
したがって、
k=1nk(k1)=n(n+1)(2n+1)6n(n+1)2=n(n+1)(2n+1)3n(n+1)6=n(n+1)(2n+13)6=n(n+1)(2n2)6=2n(n+1)(n1)6=n(n+1)(n1)3=n(n21)3=n3n3\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-2)}{6} = \frac{2n(n+1)(n-1)}{6} = \frac{n(n+1)(n-1)}{3} = \frac{n(n^2-1)}{3} = \frac{n^3-n}{3}
(2) 13+25+37++n(2n+1)=k=1nk(2k+1)=k=1n(2k2+k)=2k=1nk2+k=1nk1 \cdot 3 + 2 \cdot 5 + 3 \cdot 7 + \dots + n(2n+1) = \sum_{k=1}^{n} k(2k+1) = \sum_{k=1}^{n} (2k^2 + k) = 2\sum_{k=1}^{n} k^2 + \sum_{k=1}^{n} k
=2n(n+1)(2n+1)6+n(n+1)2=n(n+1)(2n+1)3+n(n+1)2=2n(n+1)(2n+1)+3n(n+1)6=n(n+1)(2(2n+1)+3)6=n(n+1)(4n+2+3)6=n(n+1)(4n+5)6= 2\frac{n(n+1)(2n+1)}{6} + \frac{n(n+1)}{2} = \frac{n(n+1)(2n+1)}{3} + \frac{n(n+1)}{2} = \frac{2n(n+1)(2n+1) + 3n(n+1)}{6} = \frac{n(n+1)(2(2n+1)+3)}{6} = \frac{n(n+1)(4n+2+3)}{6} = \frac{n(n+1)(4n+5)}{6}
(3) 12+32+52++(2n1)2=k=1n(2k1)2=k=1n(4k24k+1)=4k=1nk24k=1nk+k=1n11^2 + 3^2 + 5^2 + \dots + (2n-1)^2 = \sum_{k=1}^{n} (2k-1)^2 = \sum_{k=1}^{n} (4k^2 - 4k + 1) = 4\sum_{k=1}^{n} k^2 - 4\sum_{k=1}^{n} k + \sum_{k=1}^{n} 1
=4n(n+1)(2n+1)64n(n+1)2+n=2n(n+1)(2n+1)32n(n+1)+n=2n(n+1)(2n+1)6n(n+1)+3n3=n(2(n+1)(2n+1)6(n+1)+3)3=n(2(2n2+3n+1)6n6+3)3=n(4n2+6n+26n3)3=n(4n21)3=n(2n1)(2n+1)3= 4\frac{n(n+1)(2n+1)}{6} - 4\frac{n(n+1)}{2} + n = \frac{2n(n+1)(2n+1)}{3} - 2n(n+1) + n = \frac{2n(n+1)(2n+1) - 6n(n+1) + 3n}{3} = \frac{n(2(n+1)(2n+1) - 6(n+1) + 3)}{3} = \frac{n(2(2n^2+3n+1) - 6n - 6 + 3)}{3} = \frac{n(4n^2+6n+2-6n-3)}{3} = \frac{n(4n^2-1)}{3} = \frac{n(2n-1)(2n+1)}{3}

3. 最終的な答え

(1) n3n3\frac{n^3 - n}{3}
(2) n(n+1)(4n+5)6\frac{n(n+1)(4n+5)}{6}
(3) n(4n21)3\frac{n(4n^2-1)}{3}

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