問題は、以下の3つの和 $S$ を求めることです。 (1) $S = 1 \cdot 1 + 2 \cdot 5 + 3 \cdot 5^2 + 4 \cdot 5^3 + \dots + n \cdot 5^{n-1}$ (2) $S = 1 + \frac{2}{3} + \frac{3}{3^2} + \frac{4}{3^3} + \dots + \frac{n}{3^{n-1}}$ (3) $S = 1 + 4x + 7x^2 + 10x^3 + \dots + (3n-2)x^{n-1}$

解析学級数等比数列数列の和シグマ
2025/6/20

1. 問題の内容

問題は、以下の3つの和 SS を求めることです。
(1) S=11+25+352+453++n5n1S = 1 \cdot 1 + 2 \cdot 5 + 3 \cdot 5^2 + 4 \cdot 5^3 + \dots + n \cdot 5^{n-1}
(2) S=1+23+332+433++n3n1S = 1 + \frac{2}{3} + \frac{3}{3^2} + \frac{4}{3^3} + \dots + \frac{n}{3^{n-1}}
(3) S=1+4x+7x2+10x3++(3n2)xn1S = 1 + 4x + 7x^2 + 10x^3 + \dots + (3n-2)x^{n-1}

2. 解き方の手順

(1) S=11+25+352+453++n5n1S = 1 \cdot 1 + 2 \cdot 5 + 3 \cdot 5^2 + 4 \cdot 5^3 + \dots + n \cdot 5^{n-1} について
5S=15+252+353++(n1)5n1+n5n5S = 1 \cdot 5 + 2 \cdot 5^2 + 3 \cdot 5^3 + \dots + (n-1) \cdot 5^{n-1} + n \cdot 5^n
S5S=(11+25+352++n5n1)(15+252+353++(n1)5n1+n5n)S - 5S = (1 \cdot 1 + 2 \cdot 5 + 3 \cdot 5^2 + \dots + n \cdot 5^{n-1}) - (1 \cdot 5 + 2 \cdot 5^2 + 3 \cdot 5^3 + \dots + (n-1) \cdot 5^{n-1} + n \cdot 5^n)
4S=1+(21)5+(32)52++(n(n1))5n1n5n-4S = 1 + (2-1) \cdot 5 + (3-2) \cdot 5^2 + \dots + (n - (n-1)) \cdot 5^{n-1} - n \cdot 5^n
4S=1+5+52++5n1n5n-4S = 1 + 5 + 5^2 + \dots + 5^{n-1} - n \cdot 5^n
等比数列の和の公式より、1+5+52++5n1=5n151=5n141 + 5 + 5^2 + \dots + 5^{n-1} = \frac{5^n - 1}{5 - 1} = \frac{5^n - 1}{4}
4S=5n14n5n-4S = \frac{5^n - 1}{4} - n \cdot 5^n
16S=5n14n5n-16S = 5^n - 1 - 4n \cdot 5^n
16S=15n+4n5n=1+(4n1)5n16S = 1 - 5^n + 4n \cdot 5^n = 1 + (4n-1)5^n
S=1+(4n1)5n16S = \frac{1 + (4n-1)5^n}{16}
(2) S=1+23+332+433++n3n1S = 1 + \frac{2}{3} + \frac{3}{3^2} + \frac{4}{3^3} + \dots + \frac{n}{3^{n-1}} について
13S=13+232+333++n13n1+n3n\frac{1}{3}S = \frac{1}{3} + \frac{2}{3^2} + \frac{3}{3^3} + \dots + \frac{n-1}{3^{n-1}} + \frac{n}{3^n}
S13S=(1+23+332+433++n3n1)(13+232+333++n13n1+n3n)S - \frac{1}{3}S = (1 + \frac{2}{3} + \frac{3}{3^2} + \frac{4}{3^3} + \dots + \frac{n}{3^{n-1}}) - (\frac{1}{3} + \frac{2}{3^2} + \frac{3}{3^3} + \dots + \frac{n-1}{3^{n-1}} + \frac{n}{3^n})
23S=1+13+132+133++13n1n3n\frac{2}{3}S = 1 + \frac{1}{3} + \frac{1}{3^2} + \frac{1}{3^3} + \dots + \frac{1}{3^{n-1}} - \frac{n}{3^n}
等比数列の和の公式より、1+13+132+133++13n1=1(13)n113=113n23=32(113n)1 + \frac{1}{3} + \frac{1}{3^2} + \frac{1}{3^3} + \dots + \frac{1}{3^{n-1}} = \frac{1 - (\frac{1}{3})^n}{1 - \frac{1}{3}} = \frac{1 - \frac{1}{3^n}}{\frac{2}{3}} = \frac{3}{2} (1 - \frac{1}{3^n})
23S=32(113n)n3n\frac{2}{3}S = \frac{3}{2} (1 - \frac{1}{3^n}) - \frac{n}{3^n}
23S=32323nn3n=323+2n23n\frac{2}{3}S = \frac{3}{2} - \frac{3}{2 \cdot 3^n} - \frac{n}{3^n} = \frac{3}{2} - \frac{3 + 2n}{2 \cdot 3^n}
S=3232323+2n23n=943(3+2n)43n=943+2n43n1S = \frac{3}{2} \cdot \frac{3}{2} - \frac{3}{2} \cdot \frac{3 + 2n}{2 \cdot 3^n} = \frac{9}{4} - \frac{3(3+2n)}{4 \cdot 3^n} = \frac{9}{4} - \frac{3 + 2n}{4 \cdot 3^{n-1}}
S=93n132n43n1S = \frac{9 \cdot 3^{n-1} - 3 - 2n}{4 \cdot 3^{n-1}}
(3) S=1+4x+7x2+10x3++(3n2)xn1S = 1 + 4x + 7x^2 + 10x^3 + \dots + (3n-2)x^{n-1} について
xS=x+4x2+7x3++(3n5)xn1+(3n2)xnxS = x + 4x^2 + 7x^3 + \dots + (3n-5)x^{n-1} + (3n-2)x^n
SxS=(1+4x+7x2+10x3++(3n2)xn1)(x+4x2+7x3++(3n5)xn1+(3n2)xn)S - xS = (1 + 4x + 7x^2 + 10x^3 + \dots + (3n-2)x^{n-1}) - (x + 4x^2 + 7x^3 + \dots + (3n-5)x^{n-1} + (3n-2)x^n)
(1x)S=1+3x+3x2+3x3++3xn1(3n2)xn(1-x)S = 1 + 3x + 3x^2 + 3x^3 + \dots + 3x^{n-1} - (3n-2)x^n
(1x)S=1+3x(1+x+x2++xn2)(3n2)xn(1-x)S = 1 + 3x(1 + x + x^2 + \dots + x^{n-2}) - (3n-2)x^n
(1x)S=1+3x1xn11x(3n2)xn(1-x)S = 1 + 3x \cdot \frac{1 - x^{n-1}}{1 - x} - (3n-2)x^n
(1x)2S=(1x)+3x(1xn1)(3n2)xn(1x)(1-x)^2 S = (1-x) + 3x(1-x^{n-1}) - (3n-2)x^n(1-x)
(1x)2S=1x+3x3xn(3n2)xn+(3n2)xn+1(1-x)^2 S = 1 - x + 3x - 3x^n - (3n-2)x^n + (3n-2)x^{n+1}
(1x)2S=1+2x(3n+1)xn+(3n2)xn+1(1-x)^2 S = 1 + 2x - (3n+1)x^n + (3n-2)x^{n+1}
S=1+2x(3n+1)xn+(3n2)xn+1(1x)2S = \frac{1 + 2x - (3n+1)x^n + (3n-2)x^{n+1}}{(1-x)^2}

3. 最終的な答え

(1) S=1+(4n1)5n16S = \frac{1 + (4n-1)5^n}{16}
(2) S=93n132n43n1S = \frac{9 \cdot 3^{n-1} - 3 - 2n}{4 \cdot 3^{n-1}}
(3) S=1+2x(3n+1)xn+(3n2)xn+1(1x)2S = \frac{1 + 2x - (3n+1)x^n + (3n-2)x^{n+1}}{(1-x)^2}

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