与えられた3つの数列の和を求める問題です。 (1) $\sum_{k=1}^{n} k(k+1)$ (2) $\sum_{k=1}^{n} n \cdot 2^{k-1}$ (3) $1 \cdot 2 + 3 \cdot 4 + 5 \cdot 6 + \dots + (2n-1)(2n)$

代数学数列シグマ等比数列等差数列和の公式
2025/6/14

1. 問題の内容

与えられた3つの数列の和を求める問題です。
(1) k=1nk(k+1)\sum_{k=1}^{n} k(k+1)
(2) k=1nn2k1\sum_{k=1}^{n} n \cdot 2^{k-1}
(3) 12+34+56++(2n1)(2n)1 \cdot 2 + 3 \cdot 4 + 5 \cdot 6 + \dots + (2n-1)(2n)

2. 解き方の手順

(1) k=1nk(k+1)\sum_{k=1}^{n} k(k+1)
k=1nk(k+1)=k=1n(k2+k)=k=1nk2+k=1nk\sum_{k=1}^{n} k(k+1) = \sum_{k=1}^{n} (k^2 + k) = \sum_{k=1}^{n} k^2 + \sum_{k=1}^{n} k
k=1nk2=n(n+1)(2n+1)6\sum_{k=1}^{n} k^2 = \frac{n(n+1)(2n+1)}{6}
k=1nk=n(n+1)2\sum_{k=1}^{n} k = \frac{n(n+1)}{2}
k=1nk(k+1)=n(n+1)(2n+1)6+n(n+1)2=n(n+1)(2n+1)+3n(n+1)6=n(n+1)(2n+1+3)6=n(n+1)(2n+4)6=n(n+1)2(n+2)6=n(n+1)(n+2)3\sum_{k=1}^{n} k(k+1) = \frac{n(n+1)(2n+1)}{6} + \frac{n(n+1)}{2} = \frac{n(n+1)(2n+1) + 3n(n+1)}{6} = \frac{n(n+1)(2n+1+3)}{6} = \frac{n(n+1)(2n+4)}{6} = \frac{n(n+1)2(n+2)}{6} = \frac{n(n+1)(n+2)}{3}
(2) k=1nn2k1=nk=1n2k1\sum_{k=1}^{n} n \cdot 2^{k-1} = n \sum_{k=1}^{n} 2^{k-1}
k=1n2k1=1+2+22++2n1\sum_{k=1}^{n} 2^{k-1} = 1 + 2 + 2^2 + \dots + 2^{n-1}
これは初項1、公比2、項数nの等比数列の和なので、
k=1n2k1=1(2n1)21=2n1\sum_{k=1}^{n} 2^{k-1} = \frac{1(2^n - 1)}{2 - 1} = 2^n - 1
k=1nn2k1=n(2n1)\sum_{k=1}^{n} n \cdot 2^{k-1} = n(2^n - 1)
(3) 12+34+56++(2n1)(2n)1 \cdot 2 + 3 \cdot 4 + 5 \cdot 6 + \dots + (2n-1)(2n)
k=1n(2k1)(2k)=k=1n(4k22k)=4k=1nk22k=1nk\sum_{k=1}^{n} (2k-1)(2k) = \sum_{k=1}^{n} (4k^2 - 2k) = 4\sum_{k=1}^{n} k^2 - 2\sum_{k=1}^{n} k
=4n(n+1)(2n+1)62n(n+1)2=2n(n+1)(2n+1)3n(n+1)=2n(n+1)(2n+1)3n(n+1)3=n(n+1)(4n+23)3=n(n+1)(4n1)3= 4\frac{n(n+1)(2n+1)}{6} - 2\frac{n(n+1)}{2} = \frac{2n(n+1)(2n+1)}{3} - n(n+1) = \frac{2n(n+1)(2n+1) - 3n(n+1)}{3} = \frac{n(n+1)(4n+2-3)}{3} = \frac{n(n+1)(4n-1)}{3}

3. 最終的な答え

(1) n(n+1)(n+2)3\frac{n(n+1)(n+2)}{3}
(2) n(2n1)n(2^n - 1)
(3) n(n+1)(4n1)3\frac{n(n+1)(4n-1)}{3}

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