以下の3つの和の式を計算します。 (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) $\sum_{k=1}^{n} \frac{3+2k}{k(k+1)(k+2)(k+3)}$

解析学級数部分分数分解有理化シグマ
2025/6/1
はい、承知いたしました。画像の問題を解いていきます。

1. 問題の内容

以下の3つの和の式を計算します。
(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} と置きます。
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=0k=0 のとき 1=2A1 = 2A, よって A=12A = \frac{1}{2}
k=1k=-1 のとき 1=B1 = -B, よって B=1B = -1
k=2k=-2 のとき 1=2C1 = 2C, よって C=12C = \frac{1}{2}
よって、
1k(k+1)(k+2)=12(1k2k+1+1k+2)=12(1k1k+11k+1+1k+2)\frac{1}{k(k+1)(k+2)} = \frac{1}{2} \left( \frac{1}{k} - \frac{2}{k+1} + \frac{1}{k+2} \right) = \frac{1}{2} \left( \frac{1}{k} - \frac{1}{k+1} - \frac{1}{k+1} + \frac{1}{k+2} \right)
したがって、
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} \left( \frac{1}{k} - \frac{1}{k+1} - \frac{1}{k+1} + \frac{1}{k+2} \right)
=12[k=1n(1k1k+1)k=1n(1k+11k+2)]= \frac{1}{2} \left[ \sum_{k=1}^{n} \left( \frac{1}{k} - \frac{1}{k+1} \right) - \sum_{k=1}^{n} \left( \frac{1}{k+1} - \frac{1}{k+2} \right) \right]
=12[(11n+1)(121n+2)]= \frac{1}{2} \left[ \left( 1 - \frac{1}{n+1} \right) - \left( \frac{1}{2} - \frac{1}{n+2} \right) \right]
=12[11n+112+1n+2]=12[121n+1+1n+2]= \frac{1}{2} \left[ 1 - \frac{1}{n+1} - \frac{1}{2} + \frac{1}{n+2} \right] = \frac{1}{2} \left[ \frac{1}{2} - \frac{1}{n+1} + \frac{1}{n+2} \right]
=12[12n+2(n+1)(n+1)(n+2)]=12[121(n+1)(n+2)]=1412(n+1)(n+2)= \frac{1}{2} \left[ \frac{1}{2} - \frac{n+2 - (n+1)}{(n+1)(n+2)} \right] = \frac{1}{2} \left[ \frac{1}{2} - \frac{1}{(n+1)(n+2)} \right] = \frac{1}{4} - \frac{1}{2(n+1)(n+2)}
=(n+1)(n+2)24(n+1)(n+2)=n2+3n+224(n+1)(n+2)=n(n+3)4(n+1)(n+2)= \frac{(n+1)(n+2) - 2}{4(n+1)(n+2)} = \frac{n^2 + 3n + 2 - 2}{4(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)\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})
=n+11= \sqrt{n+1} - 1
(3) 部分分数分解を利用します。
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} と置きます。
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=0k=0 のとき 3=6A3 = 6A, よって A=12A = \frac{1}{2}
k=1k=-1 のとき 1=2B1 = -2B, よって B=12B = -\frac{1}{2}
k=2k=-2 のとき 1=2C-1 = 2C, よって C=12C = -\frac{1}{2}
k=3k=-3 のとき 3=6D-3 = -6D, よって D=12D = \frac{1}{2}
よって、
3+2kk(k+1)(k+2)(k+3)=12(1k1k+11k+2+1k+3)\frac{3+2k}{k(k+1)(k+2)(k+3)} = \frac{1}{2} \left( \frac{1}{k} - \frac{1}{k+1} - \frac{1}{k+2} + \frac{1}{k+3} \right)
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} \left( \frac{1}{k} - \frac{1}{k+1} - \frac{1}{k+2} + \frac{1}{k+3} \right)
=12[k=1n(1k1k+1)k=1n(1k+21k+3)]= \frac{1}{2} \left[ \sum_{k=1}^{n} \left( \frac{1}{k} - \frac{1}{k+1} \right) - \sum_{k=1}^{n} \left( \frac{1}{k+2} - \frac{1}{k+3} \right) \right]
=12[(11n+1)(131n+3)]=12[11n+113+1n+3]= \frac{1}{2} \left[ \left( 1 - \frac{1}{n+1} \right) - \left( \frac{1}{3} - \frac{1}{n+3} \right) \right] = \frac{1}{2} \left[ 1 - \frac{1}{n+1} - \frac{1}{3} + \frac{1}{n+3} \right]
=12[231n+1+1n+3]=12[23(n+3)(n+1)(n+1)(n+3)]= \frac{1}{2} \left[ \frac{2}{3} - \frac{1}{n+1} + \frac{1}{n+3} \right] = \frac{1}{2} \left[ \frac{2}{3} - \frac{(n+3) - (n+1)}{(n+1)(n+3)} \right]
=12[232(n+1)(n+3)]=131(n+1)(n+3)= \frac{1}{2} \left[ \frac{2}{3} - \frac{2}{(n+1)(n+3)} \right] = \frac{1}{3} - \frac{1}{(n+1)(n+3)}
=(n+1)(n+3)33(n+1)(n+3)=n2+4n+333(n+1)(n+3)=n(n+4)3(n+1)(n+3)= \frac{(n+1)(n+3) - 3}{3(n+1)(n+3)} = \frac{n^2 + 4n + 3 - 3}{3(n+1)(n+3)} = \frac{n(n+4)}{3(n+1)(n+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)=n(n+4)3(n+1)(n+3)\sum_{k=1}^{n} \frac{3+2k}{k(k+1)(k+2)(k+3)} = \frac{n(n+4)}{3(n+1)(n+3)}

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