与えられた数列の和 $S_n$ を求める問題です。 (1) $S_n = 1 \cdot 1 + 2 \cdot 3 + 3 \cdot 3^2 + 4 \cdot 3^3 + \cdots + n \cdot 3^{n-1}$ (2) $S_n = 1 \cdot r + 3 \cdot r^2 + 5 \cdot r^3 + 7 \cdot r^4 + \cdots + (2n-1) \cdot r^n$ ($r \neq 1$)

代数学数列級数等比数列等差数列
2025/6/23

1. 問題の内容

与えられた数列の和 SnS_n を求める問題です。
(1) Sn=11+23+332+433++n3n1S_n = 1 \cdot 1 + 2 \cdot 3 + 3 \cdot 3^2 + 4 \cdot 3^3 + \cdots + n \cdot 3^{n-1}
(2) Sn=1r+3r2+5r3+7r4++(2n1)rnS_n = 1 \cdot r + 3 \cdot r^2 + 5 \cdot r^3 + 7 \cdot r^4 + \cdots + (2n-1) \cdot r^n (r1r \neq 1)

2. 解き方の手順

(1) Sn=11+23+332+433++n3n1S_n = 1 \cdot 1 + 2 \cdot 3 + 3 \cdot 3^2 + 4 \cdot 3^3 + \cdots + n \cdot 3^{n-1}
3Sn=13+232+333++(n1)3n1+n3n3S_n = 1 \cdot 3 + 2 \cdot 3^2 + 3 \cdot 3^3 + \cdots + (n-1) \cdot 3^{n-1} + n \cdot 3^n
Sn3Sn=(11+23+332++n3n1)(13+232+333++(n1)3n1+n3n)S_n - 3S_n = (1 \cdot 1 + 2 \cdot 3 + 3 \cdot 3^2 + \cdots + n \cdot 3^{n-1}) - (1 \cdot 3 + 2 \cdot 3^2 + 3 \cdot 3^3 + \cdots + (n-1) \cdot 3^{n-1} + n \cdot 3^n)
2Sn=1+3+32+33++3n1n3n-2S_n = 1 + 3 + 3^2 + 3^3 + \cdots + 3^{n-1} - n \cdot 3^n
2Sn=1(3n1)31n3n=3n12n3n=3n12n3n2-2S_n = \frac{1(3^n - 1)}{3 - 1} - n \cdot 3^n = \frac{3^n - 1}{2} - n \cdot 3^n = \frac{3^n - 1 - 2n \cdot 3^n}{2}
Sn=2n3n3n+14=(12n)3n14S_n = \frac{2n \cdot 3^n - 3^n + 1}{-4} = \frac{(1-2n)3^n - 1}{4}
(2) Sn=1r+3r2+5r3+7r4++(2n1)rnS_n = 1 \cdot r + 3 \cdot r^2 + 5 \cdot r^3 + 7 \cdot r^4 + \cdots + (2n-1) \cdot r^n
rSn=1r2+3r3+5r4++(2n3)rn+(2n1)rn+1rS_n = 1 \cdot r^2 + 3 \cdot r^3 + 5 \cdot r^4 + \cdots + (2n-3) \cdot r^n + (2n-1) \cdot r^{n+1}
SnrSn=(1r+3r2+5r3++(2n1)rn)(1r2+3r3+5r4++(2n3)rn+(2n1)rn+1)S_n - rS_n = (1 \cdot r + 3 \cdot r^2 + 5 \cdot r^3 + \cdots + (2n-1) \cdot r^n) - (1 \cdot r^2 + 3 \cdot r^3 + 5 \cdot r^4 + \cdots + (2n-3) \cdot r^n + (2n-1) \cdot r^{n+1})
(1r)Sn=r+2r2+2r3+2r4++2rn(2n1)rn+1(1-r)S_n = r + 2r^2 + 2r^3 + 2r^4 + \cdots + 2r^n - (2n-1)r^{n+1}
(1r)Sn=r+2(r2+r3++rn)(2n1)rn+1(1-r)S_n = r + 2(r^2 + r^3 + \cdots + r^n) - (2n-1)r^{n+1}
(1r)Sn=r+2r2(rn11)r1(2n1)rn+1=r+2r2(rn11)r1(2n1)rn+1(1-r)S_n = r + 2\frac{r^2(r^{n-1}-1)}{r-1} - (2n-1)r^{n+1} = r + \frac{2r^2(r^{n-1}-1)}{r-1} - (2n-1)r^{n+1}
(1r)Sn=r+2rn+12r2r1(2n1)rn+1(1-r)S_n = r + \frac{2r^{n+1} - 2r^2}{r-1} - (2n-1)r^{n+1}
(1r)Sn=r(r1)+2rn+12r2(2n1)rn+1(r1)r1=r2r+2rn+12r2(2n1)rn+2+(2n1)rn+1r1(1-r)S_n = \frac{r(r-1) + 2r^{n+1} - 2r^2 - (2n-1)r^{n+1}(r-1)}{r-1} = \frac{r^2-r+2r^{n+1}-2r^2 - (2n-1)r^{n+2} + (2n-1)r^{n+1}}{r-1}
(1r)Sn=r2r+(2n)rn+1(2n1)rn+2r1(1-r)S_n = \frac{-r^2-r + (2n)r^{n+1} - (2n-1)r^{n+2} }{r-1}
Sn=r2r+(2n)rn+1(2n1)rn+2(r1)(1r)S_n = \frac{-r^2-r+(2n)r^{n+1} -(2n-1)r^{n+2}}{(r-1)(1-r)}
Sn=r(1+r)(2n)rn+1+(2n1)rn+2(1r)2S_n = \frac{r(1+r) - (2n)r^{n+1} + (2n-1)r^{n+2}}{(1-r)^2}

3. 最終的な答え

(1) Sn=(12n)3n14S_n = \frac{(1-2n)3^n - 1}{4}
(2) Sn=r(1+r)(2n)rn+1+(2n1)rn+2(1r)2S_n = \frac{r(1+r) - (2n)r^{n+1} + (2n-1)r^{n+2}}{(1-r)^2}

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