以下の6つの和を求める問題です。 (1) $\sum_{k=1}^{n} (2k - 1)$ (2) $\sum_{k=1}^{n} (6k^2 - 4k + 5)$ (3) $\sum_{k=1}^{n} (4k^3 - 6k)$ (4) $\sum_{k=1}^{n} 2^k$ (5) $\sum_{k=1}^{n-1} (12k^2 + 4k - 1)$ (6) $\sum_{k=1}^{n+1} 3^{k-1}$

代数学シグマ数列等差数列等比数列和の公式
2025/6/19

1. 問題の内容

以下の6つの和を求める問題です。
(1) k=1n(2k1)\sum_{k=1}^{n} (2k - 1)
(2) k=1n(6k24k+5)\sum_{k=1}^{n} (6k^2 - 4k + 5)
(3) k=1n(4k36k)\sum_{k=1}^{n} (4k^3 - 6k)
(4) k=1n2k\sum_{k=1}^{n} 2^k
(5) k=1n1(12k2+4k1)\sum_{k=1}^{n-1} (12k^2 + 4k - 1)
(6) k=1n+13k1\sum_{k=1}^{n+1} 3^{k-1}

2. 解き方の手順

(1) k=1n(2k1)\sum_{k=1}^{n} (2k - 1)
k=1n(2k1)=2k=1nkk=1n1=2n(n+1)2n=n(n+1)n=n2+nn=n2\sum_{k=1}^{n} (2k - 1) = 2\sum_{k=1}^{n} k - \sum_{k=1}^{n} 1 = 2\frac{n(n+1)}{2} - n = n(n+1) - n = n^2 + n - n = n^2
(2) k=1n(6k24k+5)\sum_{k=1}^{n} (6k^2 - 4k + 5)
k=1n(6k24k+5)=6k=1nk24k=1nk+5k=1n1\sum_{k=1}^{n} (6k^2 - 4k + 5) = 6\sum_{k=1}^{n} k^2 - 4\sum_{k=1}^{n} k + 5\sum_{k=1}^{n} 1
=6n(n+1)(2n+1)64n(n+1)2+5n=n(n+1)(2n+1)2n(n+1)+5n= 6\frac{n(n+1)(2n+1)}{6} - 4\frac{n(n+1)}{2} + 5n = n(n+1)(2n+1) - 2n(n+1) + 5n
=n((n+1)(2n+1)2(n+1)+5)=n(2n2+3n+12n2+5)=n(2n2+n+4)=2n3+n2+4n= n( (n+1)(2n+1) - 2(n+1) + 5) = n(2n^2 + 3n + 1 - 2n - 2 + 5) = n(2n^2 + n + 4) = 2n^3 + n^2 + 4n
(3) k=1n(4k36k)\sum_{k=1}^{n} (4k^3 - 6k)
k=1n(4k36k)=4k=1nk36k=1nk=4(n(n+1)2)26n(n+1)2=n2(n+1)23n(n+1)\sum_{k=1}^{n} (4k^3 - 6k) = 4\sum_{k=1}^{n} k^3 - 6\sum_{k=1}^{n} k = 4(\frac{n(n+1)}{2})^2 - 6\frac{n(n+1)}{2} = n^2(n+1)^2 - 3n(n+1)
=n(n+1)(n(n+1)3)=n(n+1)(n2+n3)=n(n3+n23n+n2+n3)=n(n3+2n22n3)=n4+2n32n23n= n(n+1) (n(n+1) - 3) = n(n+1)(n^2 + n - 3) = n(n^3 + n^2 - 3n + n^2 + n - 3) = n(n^3 + 2n^2 - 2n - 3) = n^4 + 2n^3 - 2n^2 - 3n
(4) k=1n2k\sum_{k=1}^{n} 2^k
等比数列の和の公式を使用します。k=1nark1=a1rn1r\sum_{k=1}^{n} ar^{k-1} = a\frac{1-r^n}{1-r}
k=1n2k=k=1n22k1=2k=1n2k1=212n12=212n1=2(2n1)=2n+12\sum_{k=1}^{n} 2^k = \sum_{k=1}^{n} 2 \cdot 2^{k-1} = 2\sum_{k=1}^{n} 2^{k-1} = 2 \frac{1-2^n}{1-2} = 2\frac{1-2^n}{-1} = 2(2^n - 1) = 2^{n+1} - 2
(5) k=1n1(12k2+4k1)\sum_{k=1}^{n-1} (12k^2 + 4k - 1)
k=1n1(12k2+4k1)=12k=1n1k2+4k=1n1kk=1n11=12(n1)n(2(n1)+1)6+4(n1)n2(n1)\sum_{k=1}^{n-1} (12k^2 + 4k - 1) = 12\sum_{k=1}^{n-1} k^2 + 4\sum_{k=1}^{n-1} k - \sum_{k=1}^{n-1} 1 = 12\frac{(n-1)n(2(n-1)+1)}{6} + 4\frac{(n-1)n}{2} - (n-1)
=2(n1)n(2n1)+2(n1)n(n1)=(n1)(2n(2n1)+2n1)=(n1)(4n22n+2n1)=(n1)(4n21)= 2(n-1)n(2n-1) + 2(n-1)n - (n-1) = (n-1)(2n(2n-1) + 2n - 1) = (n-1)(4n^2 - 2n + 2n - 1) = (n-1)(4n^2 - 1)
=4n3n4n2+1=4n34n2n+1= 4n^3 - n - 4n^2 + 1 = 4n^3 - 4n^2 - n + 1
(6) k=1n+13k1\sum_{k=1}^{n+1} 3^{k-1}
等比数列の和の公式を使用します。k=1mark1=a1rm1r\sum_{k=1}^{m} ar^{k-1} = a\frac{1-r^m}{1-r}
k=1n+13k1=13n+113=13n+12=3n+112\sum_{k=1}^{n+1} 3^{k-1} = \frac{1-3^{n+1}}{1-3} = \frac{1-3^{n+1}}{-2} = \frac{3^{n+1} - 1}{2}

3. 最終的な答え

(1) n2n^2
(2) 2n3+n2+4n2n^3 + n^2 + 4n
(3) n4+2n32n23nn^4 + 2n^3 - 2n^2 - 3n
(4) 2n+122^{n+1} - 2
(5) 4n34n2n+14n^3 - 4n^2 - n + 1
(6) 3n+112\frac{3^{n+1} - 1}{2}

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