与えられた3つの和(Σ)の式を計算して、Σ記号を取り除いた形にします。 (1) $\sum_{k=1}^{n} \frac{1}{k(k+1)(k+2)}$ (2) $\sum_{k=1}^{n} \frac{1}{\sqrt{k} + \sqrt{k+1}}$ (3) $\sum_{k=1}^{n} \frac{3+2k}{k(k+1)(k+2)(k+3)}$

解析学級数シグマ部分分数分解有理化
2025/5/26

1. 問題の内容

与えられた3つの和(Σ)の式を計算して、Σ記号を取り除いた形にします。
(1) k=1n1k(k+1)(k+2)\sum_{k=1}^{n} \frac{1}{k(k+1)(k+2)}
(2) k=1n1k+k+1\sum_{k=1}^{n} \frac{1}{\sqrt{k} + \sqrt{k+1}}
(3) k=1n3+2kk(k+1)(k+2)(k+3)\sum_{k=1}^{n} \frac{3+2k}{k(k+1)(k+2)(k+3)}

2. 解き方の手順

(1) 部分分数分解を利用します。
1k(k+1)(k+2)=Ak+Bk+1+Ck+2\frac{1}{k(k+1)(k+2)} = \frac{A}{k} + \frac{B}{k+1} + \frac{C}{k+2}とおき、A, B, Cを求めます。
1=A(k+1)(k+2)+Bk(k+2)+Ck(k+1)1 = A(k+1)(k+2) + Bk(k+2) + Ck(k+1)
k=0のとき: 1=2A1 = 2A より A=12A = \frac{1}{2}
k=-1のとき: 1=B1 = -B より B=1B = -1
k=-2のとき: 1=2C1 = 2C より C=12C = \frac{1}{2}
よって、
1k(k+1)(k+2)=12k1k+1+12(k+2)=12(1k2k+1+1k+2)=12(1k1k+11k+1+1k+2)\frac{1}{k(k+1)(k+2)} = \frac{1}{2k} - \frac{1}{k+1} + \frac{1}{2(k+2)} = \frac{1}{2} (\frac{1}{k} - \frac{2}{k+1} + \frac{1}{k+2}) = \frac{1}{2}(\frac{1}{k} - \frac{1}{k+1} - \frac{1}{k+1} + \frac{1}{k+2})
k=1n1k(k+1)(k+2)=12k=1n(1k1k+11k+1+1k+2)\sum_{k=1}^{n} \frac{1}{k(k+1)(k+2)} = \frac{1}{2} \sum_{k=1}^{n} (\frac{1}{k} - \frac{1}{k+1} - \frac{1}{k+1} + \frac{1}{k+2})
=12[(1112)+(1213)+...+(1n1n+1)(1213)...(1n+11n+2)(1112)+(1n1n+1)+(1n+11n+2)(1213)(1314)...(1n+11n+2)]=\frac{1}{2} [(\frac{1}{1}-\frac{1}{2}) + (\frac{1}{2}-\frac{1}{3}) + ... + (\frac{1}{n} - \frac{1}{n+1}) - (\frac{1}{2}-\frac{1}{3}) - ... - (\frac{1}{n+1}-\frac{1}{n+2}) - (\frac{1}{1}-\frac{1}{2}) +(\frac{1}{n}-\frac{1}{n+1}) + (\frac{1}{n+1} - \frac{1}{n+2}) - (\frac{1}{2} - \frac{1}{3})- (\frac{1}{3} - \frac{1}{4})-... - (\frac{1}{n+1} - \frac{1}{n+2})]
=12[(111n+1)(121n+2)]=12[11121n+1+1n+2]=12[121(n+1)(n+2)]=12[(n+1)(n+2)22(n+1)(n+2)]=14[n2+3n(n+1)(n+2)]=n(n+3)4(n+1)(n+2)=\frac{1}{2} [ (\frac{1}{1} - \frac{1}{n+1}) - (\frac{1}{2} - \frac{1}{n+2}) ] = \frac{1}{2} [\frac{1}{1} - \frac{1}{2} - \frac{1}{n+1} + \frac{1}{n+2}] = \frac{1}{2} [\frac{1}{2} - \frac{1}{(n+1)(n+2)}] = \frac{1}{2} [\frac{(n+1)(n+2)-2}{2(n+1)(n+2)}]=\frac{1}{4} [\frac{n^2 + 3n}{ (n+1)(n+2)}] = \frac{n(n+3)}{4(n+1)(n+2)}
(2) 分母の有理化を行います。
1k+k+1=kk+1(k+k+1)(kk+1)=kk+1k(k+1)=kk+11=k+1k\frac{1}{\sqrt{k} + \sqrt{k+1}} = \frac{\sqrt{k} - \sqrt{k+1}}{(\sqrt{k} + \sqrt{k+1})(\sqrt{k} - \sqrt{k+1})} = \frac{\sqrt{k} - \sqrt{k+1}}{k - (k+1)} = \frac{\sqrt{k} - \sqrt{k+1}}{-1} = \sqrt{k+1} - \sqrt{k}
k=1n1k+k+1=k=1n(k+1k)=(21)+(32)+...+(n+1n)=n+11\sum_{k=1}^{n} \frac{1}{\sqrt{k} + \sqrt{k+1}} = \sum_{k=1}^{n} (\sqrt{k+1} - \sqrt{k}) = (\sqrt{2} - \sqrt{1}) + (\sqrt{3} - \sqrt{2}) + ... + (\sqrt{n+1} - \sqrt{n}) = \sqrt{n+1} - 1
(3) 部分分数分解を行います。
3+2kk(k+1)(k+2)(k+3)=Ak+Bk+1+Ck+2+Dk+3\frac{3+2k}{k(k+1)(k+2)(k+3)} = \frac{A}{k} + \frac{B}{k+1} + \frac{C}{k+2} + \frac{D}{k+3}
3+2k=A(k+1)(k+2)(k+3)+Bk(k+2)(k+3)+Ck(k+1)(k+3)+Dk(k+1)(k+2)3+2k = A(k+1)(k+2)(k+3) + Bk(k+2)(k+3) + Ck(k+1)(k+3) + Dk(k+1)(k+2)
k=0のとき: 3=6A3 = 6A より A=12A = \frac{1}{2}
k=-1のとき: 1=2B1 = -2B より B=12B = -\frac{1}{2}
k=-2のとき: 1=2C-1 = 2C より C=12C = -\frac{1}{2}
k=-3のとき: 3=6D-3 = -6D より D=12D = \frac{1}{2}
3+2kk(k+1)(k+2)(k+3)=12k12(k+1)12(k+2)+12(k+3)=12(1k1k+11k+2+1k+3)\frac{3+2k}{k(k+1)(k+2)(k+3)} = \frac{1}{2k} - \frac{1}{2(k+1)} - \frac{1}{2(k+2)} + \frac{1}{2(k+3)} = \frac{1}{2} (\frac{1}{k} - \frac{1}{k+1} - \frac{1}{k+2} + \frac{1}{k+3})
k=1n3+2kk(k+1)(k+2)(k+3)=12k=1n(1k1k+11k+2+1k+3)\sum_{k=1}^{n} \frac{3+2k}{k(k+1)(k+2)(k+3)} = \frac{1}{2} \sum_{k=1}^{n} (\frac{1}{k} - \frac{1}{k+1} - \frac{1}{k+2} + \frac{1}{k+3})
$\frac{1}{2} [(\frac{1}{1} - \frac{1}{2} - \frac{1}{3} + \frac{1}{4}) + (\frac{1}{2} - \frac{1}{3} - \frac{1}{4} + \frac{1}{5})+ ... + (\frac{1}{n} - \frac{1}{n+1} - \frac{1}{n+2} + \frac{1}{n+3})] = \frac{1}{2} [(\frac{1}{1}-\frac{1}{2} - (\frac{1}{2}-\frac{1}{3}) - (\frac{1}{3}-\frac{1}{4})+...] = \frac{1}{2}[\frac{1}{1} - \frac{1}{n+1} - \frac{1}{n+2} + \frac{1}{4} +\frac{1}{5}-...\frac{1}{n}+\frac{1}{n}+\frac{1}{n+1}+\frac{1}{n+2}]=\frac{1}{2} [\frac{1}{1} - (\frac{1}{n+1}+\frac{1}{n+2} - \frac{1}{n+2} - \frac{1}{n+1}) -\frac{1}{2}-\frac{1}{3} + \frac{1}{n+1}+\frac{1}{n+2}-\frac{1}{2}-\frac{1}{3}]
$=\frac{1}{2} (\frac{1}{1} - \frac{1}{2} - \frac{1}{3} - \frac{1}{n+1} + \frac{1}{n+3})= \frac{1}{2} (\frac{1}{6} - \frac{1}{n+1} + \frac{1}{n+2} - \frac{1}{n+2} ) + \frac{1}{n+3}] = \frac{1}{2} (5/6 - \frac{1}{n+1} - \frac{1}{n+2}+\frac{1}{n+2}+\frac{1}{n+3} ]=\frac{1}{12} = \frac{5}{12} - (\frac{1}{n+1}+\frac{1}{n+1} ]- \frac{12} ( \frac{2}{6} - \frac{3n^2+5n]}{ = \frac{5}{6}- \frac{(n+2)(n+3)-(n+1)(n+3) + n^2+2 - n^3+2(3)-

3. 最終的な答え

(1) k=1n1k(k+1)(k+2)=n(n+3)4(n+1)(n+2)\sum_{k=1}^{n} \frac{1}{k(k+1)(k+2)} = \frac{n(n+3)}{4(n+1)(n+2)}
(2) k=1n1k+k+1=n+11\sum_{k=1}^{n} \frac{1}{\sqrt{k} + \sqrt{k+1}} = \sqrt{n+1} - 1
(3) k=1n3+2kk(k+1)(k+2)(k+3)=51212(n+1)12(n+2)+12(n+3)\sum_{k=1}^{n} \frac{3+2k}{k(k+1)(k+2)(k+3)} =\frac{5}{12} - \frac{1}{2(n+1)} - \frac{1}{2(n+2)} + \frac{1}{2(n+3)}

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