次の6つの和を計算します。 (1) $\sum_{k=1}^{30} k$ (2) $\sum_{k=1}^{n} (3k-2)$ (3) $\sum_{k=1}^{n} 3^k$ (4) $\sum_{k=1}^{n} \frac{1}{2^{k-1}}$ (5) $\sum_{k=0}^{n-1} (k+1)(k-1)$ (6) $\sum_{k=1}^{n-1} (2 \cdot 3^k - 4^{k-1})$

代数学数列シグマ等差数列等比数列
2025/6/7

1. 問題の内容

次の6つの和を計算します。
(1) k=130k\sum_{k=1}^{30} k
(2) k=1n(3k2)\sum_{k=1}^{n} (3k-2)
(3) k=1n3k\sum_{k=1}^{n} 3^k
(4) k=1n12k1\sum_{k=1}^{n} \frac{1}{2^{k-1}}
(5) k=0n1(k+1)(k1)\sum_{k=0}^{n-1} (k+1)(k-1)
(6) k=1n1(23k4k1)\sum_{k=1}^{n-1} (2 \cdot 3^k - 4^{k-1})

2. 解き方の手順

(1) 等差数列の和の公式 k=1nk=n(n+1)2\sum_{k=1}^{n} k = \frac{n(n+1)}{2} を用います。
n=30n = 30 を代入すると、k=130k=30(30+1)2=30312=1531=465\sum_{k=1}^{30} k = \frac{30(30+1)}{2} = \frac{30 \cdot 31}{2} = 15 \cdot 31 = 465
(2) k=1n(3k2)=3k=1nkk=1n2=3n(n+1)22n=3n2+3n4n2=3n2n2=n(3n1)2\sum_{k=1}^{n} (3k-2) = 3 \sum_{k=1}^{n} k - \sum_{k=1}^{n} 2 = 3 \cdot \frac{n(n+1)}{2} - 2n = \frac{3n^2 + 3n - 4n}{2} = \frac{3n^2 - n}{2} = \frac{n(3n-1)}{2}
(3) 等比数列の和の公式 k=1nark1=a1rn1r\sum_{k=1}^{n} ar^{k-1} = a \cdot \frac{1-r^n}{1-r} を用います。
k=1n3k=k=1n33k1=313n13=313n2=3(3n1)2\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(3^n - 1)}{2}
(4) 等比数列の和の公式 k=1nark1=a1rn1r\sum_{k=1}^{n} ar^{k-1} = a \cdot \frac{1-r^n}{1-r} を用います。
k=1n12k1=k=1n(12)k1=1(1/2)n11/2=1(1/2)n1/2=2(112n)=212n1\sum_{k=1}^{n} \frac{1}{2^{k-1}} = \sum_{k=1}^{n} \left( \frac{1}{2} \right)^{k-1} = \frac{1 - (1/2)^n}{1 - 1/2} = \frac{1 - (1/2)^n}{1/2} = 2 \left( 1 - \frac{1}{2^n} \right) = 2 - \frac{1}{2^{n-1}}
(5) k=0n1(k+1)(k1)=k=0n1(k21)=k=0n1k2k=0n11=k=1n1k2n=(n1)n(2n1)6n=(n1)n(2n1)6n6=n((n1)(2n1)6)6=n(2n23n+16)6=n(2n23n5)6=n(n+1)(2n5)6\sum_{k=0}^{n-1} (k+1)(k-1) = \sum_{k=0}^{n-1} (k^2 - 1) = \sum_{k=0}^{n-1} k^2 - \sum_{k=0}^{n-1} 1 = \sum_{k=1}^{n-1} k^2 - n = \frac{(n-1)n(2n-1)}{6} - n = \frac{(n-1)n(2n-1) - 6n}{6} = \frac{n((n-1)(2n-1) - 6)}{6} = \frac{n(2n^2 - 3n + 1 - 6)}{6} = \frac{n(2n^2 - 3n - 5)}{6} = \frac{n(n+1)(2n-5)}{6}
(6) k=1n1(23k4k1)=2k=1n13kk=1n14k1=23(3n11)214n114=3(3n11)14n13=3n3+134n13=3n834n13\sum_{k=1}^{n-1} (2 \cdot 3^k - 4^{k-1}) = 2 \sum_{k=1}^{n-1} 3^k - \sum_{k=1}^{n-1} 4^{k-1} = 2 \cdot \frac{3(3^{n-1} - 1)}{2} - \frac{1-4^{n-1}}{1-4} = 3(3^{n-1} - 1) - \frac{1-4^{n-1}}{-3} = 3^{n} - 3 + \frac{1}{3} - \frac{4^{n-1}}{3} = 3^n - \frac{8}{3} - \frac{4^{n-1}}{3}

3. 最終的な答え

(1) 465
(2) n(3n1)2\frac{n(3n-1)}{2}
(3) 3(3n1)2\frac{3(3^n - 1)}{2}
(4) 212n12 - \frac{1}{2^{n-1}}
(5) n(n+1)(2n5)6\frac{n(n+1)(2n-5)}{6}
(6) 3n834n133^n - \frac{8}{3} - \frac{4^{n-1}}{3}

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