次の和 $S$ を求めます。 (1) $S = 1 \cdot 1 + 2 \cdot 4 + 3 \cdot 4^2 + \dots + n \cdot 4^{n-1}$ (2) $S = 1 + \frac{2}{3} + \frac{3}{3^2} + \dots + \frac{n}{3^{n-1}}$

代数学級数数列等比数列
2025/6/24

1. 問題の内容

次の和 SS を求めます。
(1) S=11+24+342++n4n1S = 1 \cdot 1 + 2 \cdot 4 + 3 \cdot 4^2 + \dots + n \cdot 4^{n-1}
(2) S=1+23+332++n3n1S = 1 + \frac{2}{3} + \frac{3}{3^2} + \dots + \frac{n}{3^{n-1}}

2. 解き方の手順

(1) S=11+24+342++n4n1S = 1 \cdot 1 + 2 \cdot 4 + 3 \cdot 4^2 + \dots + n \cdot 4^{n-1}
両辺を4倍すると、
4S=14+242+343++(n1)4n1+n4n4S = 1 \cdot 4 + 2 \cdot 4^2 + 3 \cdot 4^3 + \dots + (n-1) \cdot 4^{n-1} + n \cdot 4^n
S4S=(11+24+342++n4n1)(14+242+343++(n1)4n1+n4n)S - 4S = (1 \cdot 1 + 2 \cdot 4 + 3 \cdot 4^2 + \dots + n \cdot 4^{n-1}) - (1 \cdot 4 + 2 \cdot 4^2 + 3 \cdot 4^3 + \dots + (n-1) \cdot 4^{n-1} + n \cdot 4^n)
3S=1+4+42++4n1n4n-3S = 1 + 4 + 4^2 + \dots + 4^{n-1} - n \cdot 4^n
1+4+42++4n11 + 4 + 4^2 + \dots + 4^{n-1} は初項1, 公比4, 項数nの等比数列の和なので、1(4n1)41=4n13\frac{1(4^n - 1)}{4 - 1} = \frac{4^n - 1}{3}
3S=4n13n4n-3S = \frac{4^n - 1}{3} - n \cdot 4^n
3S=4n13n4n3-3S = \frac{4^n - 1 - 3n \cdot 4^n}{3}
S=3n4n4n+19=(3n1)4n+19S = \frac{3n \cdot 4^n - 4^n + 1}{9} = \frac{(3n-1)4^n + 1}{9}
(2) S=1+23+332++n3n1S = 1 + \frac{2}{3} + \frac{3}{3^2} + \dots + \frac{n}{3^{n-1}}
両辺を 13\frac{1}{3} 倍すると、
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++n3n1)(13+232+333++n13n1+n3n)S - \frac{1}{3}S = (1 + \frac{2}{3} + \frac{3}{3^2} + \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++13n1n3n\frac{2}{3}S = 1 + \frac{1}{3} + \frac{1}{3^2} + \dots + \frac{1}{3^{n-1}} - \frac{n}{3^n}
1+13+132++13n11 + \frac{1}{3} + \frac{1}{3^2} + \dots + \frac{1}{3^{n-1}} は初項1, 公比 13\frac{1}{3}, 項数nの等比数列の和なので、1(1(13)n)113=1(13)n23=32(113n)=323213n=32123n1\frac{1(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}) = \frac{3}{2} - \frac{3}{2} \cdot \frac{1}{3^n} = \frac{3}{2} - \frac{1}{2 \cdot 3^{n-1}}
23S=32123n1n3n=32323n2n23n=323+2n23n\frac{2}{3}S = \frac{3}{2} - \frac{1}{2 \cdot 3^{n-1}} - \frac{n}{3^n} = \frac{3}{2} - \frac{3}{2 \cdot 3^n} - \frac{2n}{2 \cdot 3^n} = \frac{3}{2} - \frac{3 + 2n}{2 \cdot 3^n}
S=32323+2n23n32=943(3+2n)43n=943+2n43n1=93n132n43n1S = \frac{3}{2} \cdot \frac{3}{2} - \frac{3 + 2n}{2 \cdot 3^n} \cdot \frac{3}{2} = \frac{9}{4} - \frac{3(3 + 2n)}{4 \cdot 3^n} = \frac{9}{4} - \frac{3 + 2n}{4 \cdot 3^{n-1}} = \frac{9 \cdot 3^{n-1} - 3 - 2n}{4 \cdot 3^{n-1}}
S=93n12n343n1S = \frac{9 \cdot 3^{n-1} - 2n - 3}{4 \cdot 3^{n-1}}

3. 最終的な答え

(1) S=(3n1)4n+19S = \frac{(3n-1)4^n + 1}{9}
(2) S=93n12n343n1S = \frac{9 \cdot 3^{n-1} - 2n - 3}{4 \cdot 3^{n-1}}

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