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aで、公比がrの等比数列an=arn−1について、
k=1∑nak=1−ra(1−rn)
証明
S=k=1∑nakとしよう。すると、
S=a+ar+⋯+arn−2+arn−1
両辺にrをかけると、
rS=ar+ar2+⋯+arn−1+arn
ここで、上の二つの式から両辺を引くと、
S−rS=(1−r)S=a−arn
右辺の二つの式を1−rで割ると、
S=k=1∑nak=1−ra(1−rn)
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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nが無限大になるとどうなるか?∣r∣<1ならば収束し、∣r∣>1ならば発散するだろう。等比級数でこのようにn→∞を考えることを「無限等比級数」という。
無限等比級数
∣r∣<1の時、
n=1∑∞arn−1=1−ra
n→∞からarn→0になるので、等比級数から自然に導かれる。