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等比数列の和を求める 📂レンマ

等比数列の和を求める

数式

初項がaaで、公比がrrの等比数列an=arn1a_{n} = a r^{n-1}について、 k=1nak=a(1rn)1r \sum_{k=1}^{n} a_{k}= {{a (1- r^{n} ) } \over {1-r}}

証明

S=k=1nak\displaystyle S= \sum_{k=1}^{n} a_{k}としよう。すると、 S=a+ar++arn2+arn1 S= a + ar + \cdots + ar^{n-2} + ar^{n-1} 両辺にrrをかけると、 rS=ar+ar2++arn1+arn rS= ar + a r^2 + \cdots + ar^{n-1} + ar^{n} ここで、上の二つの式から両辺を引くと、 SrS=(1r)S=aarn S - rS = (1-r)S = a- a r^n 右辺の二つの式を1r1-rで割ると、 S=k=1nak=a(1rn)1r S=\sum_{k=1}^{n} a_{k}= {{a (1- r^{n} ) } \over {1-r}}

説明

等差数列の和とは異なり、この公式自体が非常によく使われる。証明法も少し異なるが、別にもっと勉強するほど難しいわけではない。

等比級数は幾何級数geometric seriesとも言われる。人々がよく「幾何級数的に」と言うが、それがこの言葉だ。つまり、ほとんどの数学に詳しくない人々が「幾何級数的に」という言葉を間違って使っているのだ。

等比級数でnnが無限大になるとどうなるか?r<1|r|<1ならば収束し、r>1|r|>1ならば発散するだろう。等比級数でこのようにnn \to \inftyを考えることを「無限等比級数」という。

無限等比級数

r<1|r|<1の時、 n=1arn1=a1r \sum_{n=1}^{\infty} a r^{n-1} = { a \over {1-r}}

nn \to \inftyからarn0ar^n \to 0になるので、等比級数から自然に導かれる。