$\sum_{k=0}^{n} \frac{(-1)^k {}_n C_k}{(k+1)(k+3)}$ を $n$ の式で表す。

代数学シグマ二項係数部分分数分解組み合わせ
2025/6/20

1. 問題の内容

k=0n(1)knCk(k+1)(k+3)\sum_{k=0}^{n} \frac{(-1)^k {}_n C_k}{(k+1)(k+3)}nn の式で表す。

2. 解き方の手順

まず、1(k+1)(k+3)\frac{1}{(k+1)(k+3)} を部分分数分解します。
1(k+1)(k+3)=Ak+1+Bk+3 \frac{1}{(k+1)(k+3)} = \frac{A}{k+1} + \frac{B}{k+3}
1=A(k+3)+B(k+1)1 = A(k+3) + B(k+1) を満たす AABB を求めます。
k=1k = -1 のとき 1=2A1 = 2A なので A=12A = \frac{1}{2}.
k=3k = -3 のとき 1=2B1 = -2B なので B=12B = -\frac{1}{2}.
したがって、
1(k+1)(k+3)=12(1k+11k+3) \frac{1}{(k+1)(k+3)} = \frac{1}{2} \left( \frac{1}{k+1} - \frac{1}{k+3} \right)
与えられた式は
k=0n(1)knCk(k+1)(k+3)=12k=0n(1)knCk(1k+11k+3) \sum_{k=0}^{n} \frac{(-1)^k {}_n C_k}{(k+1)(k+3)} = \frac{1}{2} \sum_{k=0}^{n} (-1)^k {}_n C_k \left( \frac{1}{k+1} - \frac{1}{k+3} \right)
ここで、nCk=n!k!(nk)!{}_n C_k = \frac{n!}{k!(n-k)!} を用いて
nCkk+1=n!(k+1)!(nk)!=1n+1(n+1)!(k+1)!((n+1)(k+1))!=1n+1n+1Ck+1 \frac{{}_n C_k}{k+1} = \frac{n!}{(k+1)!(n-k)!} = \frac{1}{n+1} \frac{(n+1)!}{(k+1)!((n+1)-(k+1))!} = \frac{1}{n+1} {}_{n+1} C_{k+1}
同様に
nCkk+3=n!(k+3)!(nk)!=n!(k+3)!(nk)!(n+1)(n+2)(n+3)(n+1)(n+2)(n+3)=(n+3)!(k+3)!(nk)!(n+1)(n+2)(n+3)=n+3Ck+3(n+1)(n+2)(n+3) \frac{{}_n C_k}{k+3} = \frac{n!}{(k+3)!(n-k)!} = \frac{n!}{(k+3)!(n-k)!} \frac{(n+1)(n+2)(n+3)}{(n+1)(n+2)(n+3)} = \frac{(n+3)!}{(k+3)!(n-k)!(n+1)(n+2)(n+3)} = \frac{{}_{n+3}C_{k+3}}{(n+1)(n+2)(n+3)}
nCkk+3=6(n+1)(n+2)(n+3)(n+3)!6(k+3)!(nk)! \frac{{}_n C_k}{k+3} = \frac{6}{(n+1)(n+2)(n+3)} \frac{(n+3)!}{6(k+3)!(n-k)!}
ここで、
nCkk+3=n+3Ck+3(k+3)!(nk)!(n+3)!n!(n+1)(n+2)(n+3) \frac{{}_n C_k}{k+3} = \frac{{}_{n+3} C_{k+3} \frac{(k+3)!(n-k)!}{(n+3)!} n!}{(n+1)(n+2)(n+3)}
次に
k=0n(1)kn+1Ck+1n+1=1n+1k=0n(1)kn+1Ck+1 \sum_{k=0}^{n} \frac{(-1)^k {}_{n+1} C_{k+1}}{n+1} = \frac{1}{n+1} \sum_{k=0}^{n} (-1)^k {}_{n+1} C_{k+1}
j=k+1j = k+1 とすると k=j1k = j-1 であり k=0k=0 のとき j=1j=1 , k=nk=n のとき j=n+1j=n+1.
1n+1j=1n+1(1)j1n+1Cj=1n+1j=1n+1(1)jn+1Cj=1n+1(j=0n+1(1)jn+1Cjn+1C0) \frac{1}{n+1} \sum_{j=1}^{n+1} (-1)^{j-1} {}_{n+1} C_{j} = \frac{-1}{n+1} \sum_{j=1}^{n+1} (-1)^{j} {}_{n+1} C_{j} = \frac{-1}{n+1} \left( \sum_{j=0}^{n+1} (-1)^{j} {}_{n+1} C_{j} - {}_{n+1} C_0 \right)
二項定理より、j=0n+1(1)jn+1Cj=(11)n+1=0\sum_{j=0}^{n+1} (-1)^{j} {}_{n+1} C_{j} = (1-1)^{n+1} = 0 なので、
1n+1(01)=1n+1 \frac{-1}{n+1}(0 - 1) = \frac{1}{n+1}
k=0n(1)kn+3Ck+3(n+1)(n+2)(n+3)=1(n+1)(n+2)(n+3)k=0n(1)kn+3Ck+3 \sum_{k=0}^{n} \frac{(-1)^k {}_{n+3} C_{k+3}}{(n+1)(n+2)(n+3)} = \frac{1}{(n+1)(n+2)(n+3)} \sum_{k=0}^{n} (-1)^k {}_{n+3} C_{k+3}
j=k+3j = k+3 とおくと k=j3k = j-3. k=0k=0 のとき j=3j=3, k=nk=n のとき j=n+3j=n+3
=1(n+1)(n+2)(n+3)j=3n+3(1)j3n+3Cj=1(n+1)(n+2)(n+3)j=3n+3(1)j3n+3Cj = \frac{1}{(n+1)(n+2)(n+3)} \sum_{j=3}^{n+3} (-1)^{j-3} {}_{n+3} C_{j} = \frac{1}{(n+1)(n+2)(n+3)} \sum_{j=3}^{n+3} (-1)^{j-3} {}_{n+3} C_{j}
(1)k=(1)j3=(1)j(1)3=(1)j (-1)^k = (-1)^{j-3} = (-1)^j (-1)^{-3} = - (-1)^j
j=3n+3(1)j3n+3Cj=j=3n+3(1)jn+3Cj=(j=0n+3(1)jn+3Cjn+3C0+n+3C1n+3C2) \sum_{j=3}^{n+3} (-1)^{j-3} {}_{n+3} C_{j} = - \sum_{j=3}^{n+3} (-1)^{j} {}_{n+3} C_{j} = - \left( \sum_{j=0}^{n+3} (-1)^{j} {}_{n+3} C_{j} - {}_{n+3} C_{0} + {}_{n+3} C_{1} - {}_{n+3} C_{2} \right)
=(01+(n+3)(n+3)(n+2)2)=1(n+3)+(n+3)(n+2)2=1n3+n2+5n+62=n2+n2+5n+62=2n4+n2+5n+62=n2+3n+22=(n+1)(n+2)2 = - \left( 0 - 1 + (n+3) - \frac{(n+3)(n+2)}{2} \right) = 1 - (n+3) + \frac{(n+3)(n+2)}{2} = 1 - n - 3 + \frac{n^2+5n+6}{2} = -n - 2 + \frac{n^2+5n+6}{2} = \frac{-2n - 4 + n^2 + 5n + 6}{2} = \frac{n^2 + 3n + 2}{2} = \frac{(n+1)(n+2)}{2}
12(1n+1(n+1)(n+2)2(n+1)(n+2)(n+3))=12(1n+112(n+3))=12(2n+6n12(n+1)(n+3))=12n+52(n+1)(n+3)=n+54(n+1)(n+3) \frac{1}{2} \left(\frac{1}{n+1} - \frac{(n+1)(n+2)}{2(n+1)(n+2)(n+3)}\right) = \frac{1}{2} \left( \frac{1}{n+1} - \frac{1}{2(n+3)}\right) = \frac{1}{2} \left(\frac{2n+6-n-1}{2(n+1)(n+3)} \right) = \frac{1}{2} \frac{n+5}{2(n+1)(n+3)} = \frac{n+5}{4(n+1)(n+3)}
k=0n(1)knCk(k+1)(k+3)=n+54(n+1)(n+3) \sum_{k=0}^{n} \frac{(-1)^k {}_n C_k}{(k+1)(k+3)} = \frac{n+5}{4(n+1)(n+3)}
12k=0n(1)k(nk)(1k+11k+3)=12(1n+1+(n+1)(n+2)2(n+1)(n+2)(n+3)) \frac{1}{2} \sum_{k=0}^n (-1)^k \binom{n}{k} \left( \frac{1}{k+1} - \frac{1}{k+3} \right) = \frac{1}{2} \left(\frac{1}{n+1} + \frac{(n+1)(n+2)}{2(n+1)(n+2)(n+3)}\right)
=12(n+1)12k(1)k(nk)k+3 = \frac{1}{2(n+1)} - \frac{1}{2} \frac{\sum_k (-1)^k \binom{n}{k}}{k+3}
部分分数分解により、与式は
12k=0n(1)k(nk)(1k+11k+3) \frac{1}{2} \sum_{k=0}^n (-1)^k \binom{n}{k} (\frac{1}{k+1}-\frac{1}{k+3})
k=0n(1)k(nk)k+1=1n+1\sum_{k=0}^n \frac{(-1)^k \binom{n}{k}}{k+1} = \frac{1}{n+1}
k=0n(1)k(nk)k+3=2(n+1)(n+2)(n+3) \sum_{k=0}^n \frac{(-1)^k \binom{n}{k}}{k+3} = \frac{2}{(n+1)(n+2)(n+3)}
よって
12[1n+12(n+1)(n+2)(n+3)]=12[(n+2)(n+3)2(n+1)(n+2)(n+3)]=n2+5n+42(n+1)(n+2)(n+3)=(n+4)(n+1)2(n+1)(n+2)(n+3)=n+42(n+2)(n+3)\frac{1}{2} [\frac{1}{n+1} - \frac{2}{(n+1)(n+2)(n+3)}] = \frac{1}{2} [\frac{(n+2)(n+3)-2}{(n+1)(n+2)(n+3)}] = \frac{n^2+5n+4}{2(n+1)(n+2)(n+3)} = \frac{(n+4)(n+1)}{2(n+1)(n+2)(n+3)} = \frac{n+4}{2(n+2)(n+3)}

3. 最終的な答え

n+42(n+2)(n+3)\frac{n+4}{2(n+2)(n+3)}

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