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数学B

数列すうれつ計算けいさん)

最終確認日:

このしょうまなぶこと

だい 1 しょう等差とうさ等比とうひまなびました。 このしょうでは シグマ記号きごう\sum使つかって、 もっと一般いっぱんてきけいさんできるようになります。

  • シグマ記号しぐまきごう \sum意味いみせいしつ
  • 基本きほん公式こうしき (k\sum k, k2\sum k^2, k3\sum k^3) を使つかいこなす
  • 階差数列かいさすうれつ一般項いっぱんこうふくげんする
  • 部分分数分解ぶぶんぶんすうぶんかい使つかってもとめる
  • ぐん数列すうれつ などおうよう問題もんだいれる

ポイント: \sum は 「ざんりゃっほう」 にすぎません。 こわがらず、 なにをどこからどこまですかをいてましょう。

1. シグマ記号きごう\sum

定義ていぎ

k=1nak=a1+a2+a3++an\sum_{k=1}^{n} a_k = a_1 + a_2 + a_3 + \cdots + a_n
  • kkそえ。 1 から nn まで 1 ずつうごかします。
  • aka_kkkしき
  • \sumした初項しょこうそえうえ末項まっこうそえ

れい

\sumしきてんかいあたい
k=14k\sum_{k=1}^{4} k1+2+3+41 + 2 + 3 + 41010
k=13k2\sum_{k=1}^{3} k^21+4+91 + 4 + 91414
k=152\sum_{k=1}^{5} 22+2+2+2+22 + 2 + 2 + 2 + 21010

シグマの性質せいしつ (線型せんけいせい)

\sum は 「ざんならび」 なので、 つぎせいしつちます。

k=1n(ak+bk)=k=1nak+k=1nbk\sum_{k=1}^{n} (a_k + b_k) = \sum_{k=1}^{n} a_k + \sum_{k=1}^{n} b_k k=1ncak=ck=1nak(c は k に 無関係 な 定数)\sum_{k=1}^{n} c \cdot a_k = c \sum_{k=1}^{n} a_k \quad (c \text{ は } k \text{ に 無関係 な 定数})

大事だいじ: ていすう\sumそとせる」一番いちばんよく使つかうテクニック。

2. 基本きほん公式こうしき

どんな数列すうれつも、 結局けっきょくはこの 4 つの公式こうしきちゃくさせてけいさんします。

公式こうしきあたい
k=1nc\sum_{k=1}^{n} c (ccていすう)cncn
k=1nk\sum_{k=1}^{n} kn(n+1)2\dfrac{n(n+1)}{2}
k=1nk2\sum_{k=1}^{n} k^2n(n+1)(2n+1)6\dfrac{n(n+1)(2n+1)}{6}
k=1nk3\sum_{k=1}^{n} k^3{n(n+1)2}2\left\{\dfrac{n(n+1)}{2}\right\}^2

おぼかたのコツ

  • k=n(n+1)2\sum k = \dfrac{n(n+1)}{2} → 1 から nn までの等差数列の和とうさすうれつのわ (公差こうさ 1)
  • k2\sum k^2分母ぶんぼ 6、 (n)(n+1)(2n+1) のならびをあん
  • k3=(k)2\sum k^3 = (\sum k)^2 といううつくしいかんけい (これはぜひおぼえる)

例題れいだい 1

k=1n(3k22k+5)\sum_{k=1}^{n} (3k^2 - 2k + 5)けいさんせよ。

かい: 線型せんけいせい使つかってぶんかい

k=1n(3k22k+5)=3k=1nk22k=1nk+k=1n5\sum_{k=1}^{n} (3k^2 - 2k + 5) = 3 \sum_{k=1}^{n} k^2 - 2 \sum_{k=1}^{n} k + \sum_{k=1}^{n} 5 =3n(n+1)(2n+1)62n(n+1)2+5n= 3 \cdot \frac{n(n+1)(2n+1)}{6} - 2 \cdot \frac{n(n+1)}{2} + 5n =n(n+1)(2n+1)2n(n+1)+5n= \frac{n(n+1)(2n+1)}{2} - n(n+1) + 5n

最後さいごnn でくくればせい完了かんりょうです。

3. 添字そえじがずれた \sum

k=2n\sum_{k=2}^{n} のように 1 からはじまらないあい、 「1 からはじめて、 けいぶん」 のが基本きほん

k=2nak=k=1naka1\sum_{k=2}^{n} a_k = \sum_{k=1}^{n} a_k - a_1

例題れいだい 2

k=310k2\sum_{k=3}^{10} k^2もとめよ。

かい:

k=310k2=k=110k21222=10112165=3855=380\sum_{k=3}^{10} k^2 = \sum_{k=1}^{10} k^2 - 1^2 - 2^2 = \frac{10 \cdot 11 \cdot 21}{6} - 5 = 385 - 5 = 380

4. かい数列すうれつ

かいとは

数列すうれつ{an}\{a_n\}階差数列かいさすうれつ {bn}\{b_n\} とは、 となりこうならべたもの。

bn=an+1anb_n = a_{n+1} - a_n

例: {an}=1,3,7,13,21,\{a_n\} = 1, 3, 7, 13, 21, \ldotsかい{bn}=2,4,6,8,\{b_n\} = 2, 4, 6, 8, \ldots (bn=2nb_n = 2n)。

かいから一般いっぱんこう復元ふくげん

n2n \geq 2 のとき

an=a1+k=1n1bka_n = a_1 + \sum_{k=1}^{n-1} b_k

考え方かんがえかた: a2=a1+b1a_2 = a_1 + b_1a3=a2+b2=a1+b1+b2a_3 = a_2 + b_2 = a_1 + b_1 + b_2、 … とかいじゅんげる。

例題れいだい 3

数列すうれつ 1, 3, 7, 13, 21, … の一般いっぱんこうもとめよ。

かい: かいbn=2nb_n = 2nn2n \geq 2

an=1+k=1n12k=1+2(n1)n2=1+n(n1)=n2n+1a_n = 1 + \sum_{k=1}^{n-1} 2k = 1 + 2 \cdot \frac{(n-1)n}{2} = 1 + n(n-1) = n^2 - n + 1

n=1n = 1 でも 121+1=11^2 - 1 + 1 = 1 で OK。 → an=n2n+1a_n = n^2 - n + 1

大事だいじ: かいもとめてかい簡単かんたんになったらそくえない数列すうれつ一般いっぱんこうもとめるひょうじゅんせんりゃく

5. 部分ぶぶん分数ぶんすう分解ぶんかい

公式こうしき

1k(k+1)=1k1k+1\frac{1}{k(k+1)} = \frac{1}{k} - \frac{1}{k+1}

例題れいだい 4

k=1n1k(k+1)\sum_{k=1}^{n} \dfrac{1}{k(k+1)}もとめよ。

かい:

k=1n1k(k+1)=k=1n(1k1k+1)\sum_{k=1}^{n} \frac{1}{k(k+1)} = \sum_{k=1}^{n} \left( \frac{1}{k} - \frac{1}{k+1} \right) =(112)+(1213)++(1n1n+1)= \left(1 - \frac{1}{2}\right) + \left(\frac{1}{2} - \frac{1}{3}\right) + \cdots + \left(\frac{1}{n} - \frac{1}{n+1}\right)

ちゅうかん望遠鏡和ぼうえんきょうわ (telescoping) でえて、

=11n+1=nn+1= 1 - \frac{1}{n+1} = \frac{n}{n+1}

大事だいじ: 分数ぶんすう数列すうれつで 「1k(k+1)\dfrac{1}{k(k+1)}」 や 「1(2k1)(2k+1)\dfrac{1}{(2k-1)(2k+1)}」 など、 せきかたちてきたら部分ぶぶん分数ぶんすううたが

6. (発展はってん) (等差とうさ) × (等比とうひ) かた

れい: k=1nk2k\sum_{k=1}^{n} k \cdot 2^k のようなは、 SrSS - rSけいさんする (等比数列の和とうひすうれつのわおなはっそう)。

S=12+222+323++n2nS = 1 \cdot 2 + 2 \cdot 2^2 + 3 \cdot 2^3 + \cdots + n \cdot 2^n 2S=122+223++(n1)2n+n2n+12S = \quad\quad\quad 1 \cdot 2^2 + 2 \cdot 2^3 + \cdots + (n-1) \cdot 2^n + n \cdot 2^{n+1}

けば S2S=(2+22++2n)n2n+1S - 2S = (2 + 2^2 + \cdots + 2^n) - n \cdot 2^{n+1} となり、 等比とうひ + α でけいさん完了かんりょう

7. 例題れいだい (応用おうよう)

例題れいだい 5: \sum公式こうしきわせる

12+23+34++n(n+1)1 \cdot 2 + 2 \cdot 3 + 3 \cdot 4 + \cdots + n(n+1)もとめよ。

かい: 一般いっぱんこうk(k+1)=k2+kk(k+1) = k^2 + k なので

k=1nk(k+1)=k=1nk2+k=1nk\sum_{k=1}^{n} k(k+1) = \sum_{k=1}^{n} k^2 + \sum_{k=1}^{n} k =n(n+1)(2n+1)6+n(n+1)2=n(n+1)6{(2n+1)+3}= \frac{n(n+1)(2n+1)}{6} + \frac{n(n+1)}{2} = \frac{n(n+1)}{6}\{(2n+1) + 3\} =n(n+1)(2n+4)6=n(n+1)(n+2)3= \frac{n(n+1)(2n+4)}{6} = \frac{n(n+1)(n+2)}{3}

例題れいだい 6: 部分ぶぶん分数ぶんすう (もうひとつ)

k=1n1(2k1)(2k+1)\sum_{k=1}^{n} \dfrac{1}{(2k-1)(2k+1)}もとめよ。

かい: 1(2k1)(2k+1)=12(12k112k+1)\dfrac{1}{(2k-1)(2k+1)} = \dfrac{1}{2}\left(\dfrac{1}{2k-1} - \dfrac{1}{2k+1}\right)使つかう。

k=1n1(2k1)(2k+1)=12{(113)+(1315)++(12n112n+1)}\sum_{k=1}^{n} \frac{1}{(2k-1)(2k+1)} = \frac{1}{2}\left\{\left(1 - \frac{1}{3}\right) + \left(\frac{1}{3} - \frac{1}{5}\right) + \cdots + \left(\frac{1}{2n-1} - \frac{1}{2n+1}\right)\right\} =12(112n+1)=n2n+1= \frac{1}{2}\left(1 - \frac{1}{2n+1}\right) = \frac{n}{2n+1}

例題れいだい 7: かい一般いっぱんこう

数列すうれつ 2, 5, 10, 17, 26, … の一般いっぱんこうもとめよ。

かい: かい{bn}=3,5,7,9,\{b_n\} = 3, 5, 7, 9, \ldotsbn=2n+1b_n = 2n + 1n2n \geq 2

an=2+k=1n1(2k+1)=2+2(n1)n2+(n1)=2+n2n+n1=n2+1a_n = 2 + \sum_{k=1}^{n-1} (2k+1) = 2 + 2 \cdot \frac{(n-1)n}{2} + (n-1) = 2 + n^2 - n + n - 1 = n^2 + 1

n=1n = 1 でも 1+1=21 + 1 = 2 ✓。 → an=n2+1a_n = n^2 + 1

しょう: だい 3 しょうでは 漸化式ぜんかしきまなび、 「となりのこうとのかんけい」 から一般いっぱんこうもとめるちからにつけます。

まとめ — 数列すうれつ (\sum計算けいさん) を 3 くだり

  • k=1nk=n(n+1)2\sum_{k=1}^{n} k = \dfrac{n(n+1)}{2}k2=n(n+1)(2n+1)6\sum k^2 = \dfrac{n(n+1)(2n+1)}{6}k3={n(n+1)2}2\sum k^3 = \left\{\dfrac{n(n+1)}{2}\right\}^2 の 3 公式こうしき基本きほんである
  • かい数列すうれつbn=an+1anb_n = a_{n+1} - a_n から一般いっぱんこうan=a1+k=1n1bka_n = a_1 + \sum_{k=1}^{n-1} b_k (n2n \geq 2) で復元ふくげんできる
  • 部分ぶぶん分数ぶんすう分解ぶんかい1k(k+1)=1k1k+1\dfrac{1}{k(k+1)} = \dfrac{1}{k} - \dfrac{1}{k+1}相殺そうさいさせると、 一見いっけん複雑ふくざつ簡潔かんけつもとまる
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