与えられた数列の和を $\Sigma$ 記号を用いて表し、その和を求める問題です。 (1) $1 \cdot 3 + 2 \cdot 3^2 + 3 \cdot 3^3 + \dots + n 3^n$ (2) $1 \cdot 1 + 2 \cdot 3^{-1} + 3 \cdot 3^{-2} + \dots + n 3^{1-n}$ (3) $1 \cdot 3 + 4 \cdot 3^2 + 7 \cdot 3^3 + \dots + (3n-2) 3^n$

代数学数列シグマ等比数列級数
2025/5/26

1. 問題の内容

与えられた数列の和を Σ\Sigma 記号を用いて表し、その和を求める問題です。
(1) 13+232+333++n3n1 \cdot 3 + 2 \cdot 3^2 + 3 \cdot 3^3 + \dots + n 3^n
(2) 11+231+332++n31n1 \cdot 1 + 2 \cdot 3^{-1} + 3 \cdot 3^{-2} + \dots + n 3^{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) の場合:
Σ\Sigma 記号を用いた表現:
k=1nk3k\sum_{k=1}^{n} k \cdot 3^k
和の計算:
S=k=1nk3k=13+232+333++n3nS = \sum_{k=1}^{n} k \cdot 3^k = 1 \cdot 3 + 2 \cdot 3^2 + 3 \cdot 3^3 + \dots + n \cdot 3^n
3S=132+233+334++(n1)3n+n3n+13S = 1 \cdot 3^2 + 2 \cdot 3^3 + 3 \cdot 3^4 + \dots + (n-1) \cdot 3^n + n \cdot 3^{n+1}
S3S=3+32+33++3nn3n+1S - 3S = 3 + 3^2 + 3^3 + \dots + 3^n - n \cdot 3^{n+1}
2S=k=1n3kn3n+1-2S = \sum_{k=1}^{n} 3^k - n \cdot 3^{n+1}
等比数列の和の公式 k=1nark1=a1rn1r\sum_{k=1}^{n} ar^{k-1} = a \frac{1-r^n}{1-r} より、
k=1n3k=k=1n33k1=313n13=313n2=32(3n1)\sum_{k=1}^{n} 3^k = \sum_{k=1}^{n} 3 \cdot 3^{k-1} = 3 \cdot \frac{1-3^n}{1-3} = 3 \cdot \frac{1-3^n}{-2} = \frac{3}{2} (3^n - 1)
2S=32(3n1)n3n+1-2S = \frac{3}{2} (3^n - 1) - n \cdot 3^{n+1}
S=12[32(3n1)n3n+1]S = - \frac{1}{2} [\frac{3}{2} (3^n - 1) - n \cdot 3^{n+1}]
S=14[2n3n+13n+1+3]S = \frac{1}{4} [2n \cdot 3^{n+1} - 3^{n+1} + 3]
S=34[(2n1)3n+1]S = \frac{3}{4} [(2n-1)3^n + 1]
(2) の場合:
Σ\Sigma 記号を用いた表現:
k=1nk31k\sum_{k=1}^{n} k \cdot 3^{1-k}
和の計算:
S=k=1nk31k=11+231+332++n31nS = \sum_{k=1}^{n} k \cdot 3^{1-k} = 1 \cdot 1 + 2 \cdot 3^{-1} + 3 \cdot 3^{-2} + \dots + n \cdot 3^{1-n}
13S=131+232+333++(n1)31n+n3n\frac{1}{3} S = 1 \cdot 3^{-1} + 2 \cdot 3^{-2} + 3 \cdot 3^{-3} + \dots + (n-1) \cdot 3^{1-n} + n \cdot 3^{-n}
S13S=1+31+32++31nn3nS - \frac{1}{3} S = 1 + 3^{-1} + 3^{-2} + \dots + 3^{1-n} - n \cdot 3^{-n}
23S=k=1n31kn3n\frac{2}{3} S = \sum_{k=1}^{n} 3^{1-k} - n \cdot 3^{-n}
等比数列の和の公式 k=1nark1=a1rn1r\sum_{k=1}^{n} ar^{k-1} = a \frac{1-r^n}{1-r} より、
k=1n31k=k=1n31(13)k1=31(13)n113=31(13)n23=92(1(13)n)=92(113n)\sum_{k=1}^{n} 3^{1-k} = \sum_{k=1}^{n} 3^{1} \cdot (\frac{1}{3})^{k-1} = 3 \cdot \frac{1 - (\frac{1}{3})^n}{1 - \frac{1}{3}} = 3 \cdot \frac{1 - (\frac{1}{3})^n}{\frac{2}{3}} = \frac{9}{2} (1 - (\frac{1}{3})^n) = \frac{9}{2} (1 - \frac{1}{3^n})
23S=92(113n)n13n\frac{2}{3} S = \frac{9}{2} (1 - \frac{1}{3^n}) - n \cdot \frac{1}{3^n}
S=32[92(113n)n13n]S = \frac{3}{2} [\frac{9}{2} (1 - \frac{1}{3^n}) - n \cdot \frac{1}{3^n}]
S=2742743n3n23nS = \frac{27}{4} - \frac{27}{4 \cdot 3^n} - \frac{3n}{2 \cdot 3^n}
S=27427+6n43n=273n276n43n=27(3n1)6n43nS = \frac{27}{4} - \frac{27 + 6n}{4 \cdot 3^n} = \frac{27 \cdot 3^n - 27 - 6n}{4 \cdot 3^n} = \frac{27 (3^n - 1) - 6n}{4 \cdot 3^n}
(3) の場合:
Σ\Sigma 記号を用いた表現:
k=1n(3k2)3k\sum_{k=1}^{n} (3k-2) \cdot 3^k
和の計算:
S=k=1n(3k2)3k=13+432+733++(3n2)3nS = \sum_{k=1}^{n} (3k-2) \cdot 3^k = 1 \cdot 3 + 4 \cdot 3^2 + 7 \cdot 3^3 + \dots + (3n-2) \cdot 3^n
3S=132+433+734++(3n5)3n+(3n2)3n+13S = 1 \cdot 3^2 + 4 \cdot 3^3 + 7 \cdot 3^4 + \dots + (3n-5) \cdot 3^n + (3n-2) \cdot 3^{n+1}
S3S=3+332+333++33n(3n2)3n+1S - 3S = 3 + 3 \cdot 3^2 + 3 \cdot 3^3 + \dots + 3 \cdot 3^n - (3n-2) \cdot 3^{n+1}
2S=3+3k=2n3k(3n2)3n+1-2S = 3 + 3 \sum_{k=2}^{n} 3^k - (3n-2) \cdot 3^{n+1}
2S=3+3(32(13n1)13)(3n2)3n+1-2S = 3 + 3 (\frac{3^2 (1-3^{n-1})}{1-3}) - (3n-2) \cdot 3^{n+1}
2S=3+3(9(13n1)2)(3n2)3n+1-2S = 3 + 3 (\frac{9(1-3^{n-1})}{-2}) - (3n-2) \cdot 3^{n+1}
2S=3272(13n1)(3n2)3n+1-2S = 3 - \frac{27}{2} (1-3^{n-1}) - (3n-2) \cdot 3^{n+1}
2S=3272+2723n1(3n2)3n+1-2S = 3 - \frac{27}{2} + \frac{27}{2} \cdot 3^{n-1} - (3n-2) \cdot 3^{n+1}
2S=212+923n(9n6)3n-2S = -\frac{21}{2} + \frac{9}{2} \cdot 3^n - (9n-6) \cdot 3^n
2S=212+(929n+6)3n-2S = -\frac{21}{2} + (\frac{9}{2} - 9n + 6) 3^n
2S=212+(2129n)3n-2S = -\frac{21}{2} + (\frac{21}{2} - 9n) 3^n
S=214(21492n)3nS = \frac{21}{4} - (\frac{21}{4} - \frac{9}{2} n) 3^n
S=21434(76n)3n=34[7(76n)3n]S = \frac{21}{4} - \frac{3}{4} (7 - 6n) 3^n = \frac{3}{4} [7 - (7 - 6n) 3^n]

3. 最終的な答え

(1) k=1nk3k=34[(2n1)3n+1]\sum_{k=1}^{n} k \cdot 3^k = \frac{3}{4} [(2n-1)3^n + 1]
(2) k=1nk31k=27(3n1)6n43n\sum_{k=1}^{n} k \cdot 3^{1-k} = \frac{27 (3^n - 1) - 6n}{4 \cdot 3^n}
(3) k=1n(3k2)3k=34[7(76n)3n]\sum_{k=1}^{n} (3k-2) \cdot 3^k = \frac{3}{4} [7 - (7 - 6n) 3^n]

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