## 1. 問題の内容

代数学数列級数Σ記号等比数列和の公式
2025/5/19
##

1. 問題の内容

次の和をΣ\Sigma記号を用いて表し、和を求めよ。
(1) 13+232+333++n3n1 \cdot 3 + 2 \cdot 3^2 + 3 \cdot 3^3 + \dots + n3^n
(2) 11+231+332++n31n1 \cdot 1 + 2 \cdot 3^{-1} + 3 \cdot 3^{-2} + \dots + n3^{1-n}
(3) 13+432+733++(3n2)3n1 \cdot 3 + 4 \cdot 3^2 + 7 \cdot 3^3 + \dots + (3n-2)3^n
##

2. 解き方の手順

### (1)
Σ\Sigma記号で表すと、
S_n = \sum_{k=1}^{n} k \cdot 3^k
となる。
Sn=13+232+333++n3nS_n = 1 \cdot 3 + 2 \cdot 3^2 + 3 \cdot 3^3 + \dots + n3^n
3Sn=132+233++(n1)3n+n3n+13S_n = 1 \cdot 3^2 + 2 \cdot 3^3 + \dots + (n-1)3^n + n3^{n+1}
Sn3Sn=13+132+133++13nn3n+1S_n - 3S_n = 1 \cdot 3 + 1 \cdot 3^2 + 1 \cdot 3^3 + \dots + 1 \cdot 3^n - n3^{n+1}
2Sn=3(1+3+32++3n1)n3n+1-2S_n = 3(1 + 3 + 3^2 + \dots + 3^{n-1}) - n3^{n+1}
2Sn=33n131n3n+1-2S_n = 3\frac{3^n - 1}{3 - 1} - n3^{n+1}
2Sn=32(3n1)n3n+1-2S_n = \frac{3}{2}(3^n - 1) - n3^{n+1}
4Sn=3(3n1)2n3n+1-4S_n = 3(3^n - 1) - 2n3^{n+1}
4Sn=3(3n1)+2n3n+14S_n = -3(3^n - 1) + 2n3^{n+1}
4Sn=3n+1+3+2n3n+14S_n = -3^{n+1} + 3 + 2n3^{n+1}
4Sn=(2n1)3n+1+34S_n = (2n-1)3^{n+1} + 3
Sn=(2n1)3n+1+34S_n = \frac{(2n-1)3^{n+1} + 3}{4}
### (2)
Σ\Sigma記号で表すと、
S_n = \sum_{k=1}^{n} k \cdot 3^{1-k}
となる。
Sn=11+231+332++n31nS_n = 1 \cdot 1 + 2 \cdot 3^{-1} + 3 \cdot 3^{-2} + \dots + n3^{1-n}
13Sn=131+232++(n1)31n+n3n\frac{1}{3}S_n = 1 \cdot 3^{-1} + 2 \cdot 3^{-2} + \dots + (n-1)3^{1-n} + n3^{-n}
Sn13Sn=1+131+132++131nn3nS_n - \frac{1}{3}S_n = 1 + 1 \cdot 3^{-1} + 1 \cdot 3^{-2} + \dots + 1 \cdot 3^{1-n} - n3^{-n}
23Sn=1+13+132++13n1n3n\frac{2}{3}S_n = 1 + \frac{1}{3} + \frac{1}{3^2} + \dots + \frac{1}{3^{n-1}} - \frac{n}{3^n}
23Sn=1(1(1/3)n)11/3n3n\frac{2}{3}S_n = \frac{1(1 - (1/3)^n)}{1 - 1/3} - \frac{n}{3^n}
23Sn=1(1/3)n2/3n3n\frac{2}{3}S_n = \frac{1 - (1/3)^n}{2/3} - \frac{n}{3^n}
23Sn=32(113n)n3n\frac{2}{3}S_n = \frac{3}{2}(1 - \frac{1}{3^n}) - \frac{n}{3^n}
23Sn=32323nn3n\frac{2}{3}S_n = \frac{3}{2} - \frac{3}{2 \cdot 3^n} - \frac{n}{3^n}
23Sn=323+2n23n\frac{2}{3}S_n = \frac{3}{2} - \frac{3 + 2n}{2 \cdot 3^n}
4Sn=99+6n3n4S_n = 9 - \frac{9+6n}{3^n}
Sn=949+6n43nS_n = \frac{9}{4} - \frac{9+6n}{4 \cdot 3^n}
### (3)
Σ\Sigma記号で表すと、
S_n = \sum_{k=1}^{n} (3k-2) \cdot 3^k
となる。
Sn=13+432+733++(3n2)3nS_n = 1 \cdot 3 + 4 \cdot 3^2 + 7 \cdot 3^3 + \dots + (3n-2)3^n
3Sn=132+433++(3n5)3n+(3n2)3n+13S_n = 1 \cdot 3^2 + 4 \cdot 3^3 + \dots + (3n-5)3^n + (3n-2)3^{n+1}
Sn3Sn=13+332+333++33n(3n2)3n+1S_n - 3S_n = 1 \cdot 3 + 3 \cdot 3^2 + 3 \cdot 3^3 + \dots + 3 \cdot 3^n - (3n-2)3^{n+1}
2Sn=3+32(1+3+32++3n2)(3n2)3n+1-2S_n = 3 + 3^2(1 + 3 + 3^2 + \dots + 3^{n-2}) - (3n-2)3^{n+1}
2Sn=3+33n331(3n2)3n+1-2S_n = 3 + 3\frac{3^n-3}{3-1} - (3n-2)3^{n+1}
2Sn=3+32(3n3)(3n2)3n+1-2S_n = 3 + \frac{3}{2}(3^n-3) - (3n-2)3^{n+1}
4Sn=6+3(3n3)2(3n2)3n+1-4S_n = 6 + 3(3^n-3) - 2(3n-2)3^{n+1}
4Sn=6+3n+196n3n+1+43n+1-4S_n = 6 + 3^{n+1} - 9 - 6n3^{n+1} + 4 \cdot 3^{n+1}
4Sn=3+53n+16n3n+1-4S_n = -3 + 5 \cdot 3^{n+1} - 6n3^{n+1}
4Sn=3+(6n5)3n+14S_n = 3 + (6n-5)3^{n+1}
Sn=3+(6n5)3n+14S_n = \frac{3 + (6n-5)3^{n+1}}{4}
##

3. 最終的な答え

(1) k=1nk3k=(2n1)3n+1+34\sum_{k=1}^{n} k \cdot 3^k = \frac{(2n-1)3^{n+1} + 3}{4}
(2) k=1nk31k=949+6n43n\sum_{k=1}^{n} k \cdot 3^{1-k} = \frac{9}{4} - \frac{9+6n}{4 \cdot 3^n}
(3) k=1n(3k2)3k=3+(6n5)3n+14\sum_{k=1}^{n} (3k-2) \cdot 3^k = \frac{3 + (6n-5)3^{n+1}}{4}

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