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無限級数【等比無限級数・収束条件】

公開日: 2026/7/11

📐 公式まとめ

  • 1. 無限級数とは

    ∑n=1∞an=a1+a2+a3+⋯\sum_{n=1}^{\infty} a_n = a_1 + a_2 + a_3 + \cdots
  • 1. 無限級数とは

    Sn=a1+a2+⋯+an=∑k=1nakS_n = a_1 + a_2 + \cdots + a_n = \sum_{k=1}^{n} a_k
  • 1. 無限級数とは

    ∑n=1∞an=S\sum_{n=1}^{\infty} a_n = S
  • 3. 等比無限級数

    ∑n=1∞arn−1=a+ar+ar2+⋯\sum_{n=1}^{\infty} ar^{n-1} = a + ar + ar^2 + \cdots
  • 3.2. なぜ ∣r∣<1|r| < 1∣r∣<1 で収束するか

    Sn=a(1−rn)1−r(r≠1)S_n = \frac{a(1 - r^n)}{1 - r} \quad (r \neq 1)
  • 3.2. なぜ ∣r∣<1|r| < 1∣r∣<1 で収束するか

    lim⁡n→∞Sn=a(1−0)1−r=a1−r\lim_{n \to \infty} S_n = \frac{a(1-0)}{1-r} = \frac{a}{1-r}
  • 4. 無限級数の基本的な性質

    ∑n=1∞(an±bn)=A±B\sum_{n=1}^{\infty} (a_n \pm b_n) = A \pm B
  • 4. 無限級数の基本的な性質

    ∑n=1∞kan=kA(k は定数)\sum_{n=1}^{\infty} k a_n = kA \quad (k \text{ は定数})
  • 5. 循環小数と等比無限級数

    0.3+0.03+0.003+⋯=0.31−0.1=0.30.9=130.3 + 0.03 + 0.003 + \cdots = \frac{0.3}{1 - 0.1} = \frac{0.3}{0.9} = \frac{1}{3}

無限級数【等比無限級数・収束条件】

「無限に足し続けたとき、その合計は有限の値に近づくのか?」——これが無限級数の中心的な問いです。直感的に不思議に感じますが、収束・発散の条件を理解すれば明確に判定できます。

1. 無限級数とは

数列 {an}\{a_n\} の各項を無限に加えた式

∑n=1∞an=a1+a2+a3+⋯\sum_{n=1}^{\infty} a_n = a_1 + a_2 + a_3 + \cdots

を無限級数といいます。

部分和 SnS_n を

Sn=a1+a2+⋯+an=∑k=1nakS_n = a_1 + a_2 + \cdots + a_n = \sum_{k=1}^{n} a_k

と定義します。n→∞n \to \infty のとき SnS_n が一定の値 SS に収束するならば、無限級数はその値に収束するといい

∑n=1∞an=S\sum_{n=1}^{\infty} a_n = S

と書きます。SnS_n が収束しない場合は、無限級数は発散します。

2. 収束の必要条件

無限級数 ∑n=1∞an\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} a_n が収束するならば、lim⁡n→∞an=0\displaystyle\lim_{n \to \infty} a_n = 0

注意: これは必要条件であり、十分条件ではありません。lim⁡n→∞an=0\lim_{n \to \infty} a_n = 0 であっても発散する無限級数は存在します(調和級数 ∑1n\sum \frac{1}{n} が典型例)。

3. 等比無限級数

初項 aa、公比 rr の等比数列の無限級数

∑n=1∞arn−1=a+ar+ar2+⋯\sum_{n=1}^{\infty} ar^{n-1} = a + ar + ar^2 + \cdots

を等比無限級数といいます。

3.1. 収束・発散の条件と和

公比 rr の範囲 結果
∣r∣<1\lvert r \rvert < 1 収束。和 S=a1−rS = \dfrac{a}{1-r}
∣r∣≥1\lvert r \rvert \geq 1(a≠0a \neq 0) 発散

3.2. なぜ ∣r∣<1|r| < 1 で収束するか

部分和は

Sn=a(1−rn)1−r(r≠1)S_n = \frac{a(1 - r^n)}{1 - r} \quad (r \neq 1)

∣r∣<1|r| < 1 のとき rn→0r^n \to 0(n→∞n \to \infty)なので

lim⁡n→∞Sn=a(1−0)1−r=a1−r\lim_{n \to \infty} S_n = \frac{a(1-0)}{1-r} = \frac{a}{1-r}

∣r∣>1|r| > 1 のとき ∣rn∣→∞|r^n| \to \infty なので SnS_n は発散します。r=1r = 1 のとき Sn=na→±∞S_n = na \to \pm\infty、r=−1r = -1 のとき SnS_n は振動して発散します。

4. 無限級数の基本的な性質

収束する無限級数 ∑an=A\displaystyle\sum a_n = A、∑bn=B\displaystyle\sum b_n = B に対して

∑n=1∞(an±bn)=A±B\sum_{n=1}^{\infty} (a_n \pm b_n) = A \pm B ∑n=1∞kan=kA(k は定数)\sum_{n=1}^{\infty} k a_n = kA \quad (k \text{ は定数})

が成り立ちます。

5. 循環小数と等比無限級数

循環小数は等比無限級数で表せます。例えば 0.3‾=0.333⋯0.\overline{3} = 0.333\cdots は

0.3+0.03+0.003+⋯=0.31−0.1=0.30.9=130.3 + 0.03 + 0.003 + \cdots = \frac{0.3}{1 - 0.1} = \frac{0.3}{0.9} = \frac{1}{3}

と確認できます。

6. 例題

問題1: 次の等比無限級数の収束・発散を判定し、収束する場合は和を求めなさい。

3+1+13+19+⋯3 + 1 + \frac{1}{3} + \frac{1}{9} + \cdots

解答:

初項 a=3a = 3、公比 r=13r = \dfrac{1}{3}。

∣r∣=13<1|r| = \dfrac{1}{3} < 1 なので収束する。

S=a1−r=31−13=323=92S = \frac{a}{1-r} = \frac{3}{1 - \frac{1}{3}} = \frac{3}{\frac{2}{3}} = \frac{9}{2}

問題2: 次の無限級数の和を求めなさい。

∑n=1∞1n(n+1)\sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n(n+1)}

解答:

部分分数分解を使います。

1n(n+1)=1n−1n+1\frac{1}{n(n+1)} = \frac{1}{n} - \frac{1}{n+1}

部分和を計算すると(望遠鏡和):

Sn=(1−12)+(12−13)+⋯+(1n−1n+1)=1−1n+1S_n = \left(1 - \frac{1}{2}\right) + \left(\frac{1}{2} - \frac{1}{3}\right) + \cdots + \left(\frac{1}{n} - \frac{1}{n+1}\right) = 1 - \frac{1}{n+1} lim⁡n→∞Sn=lim⁡n→∞(1−1n+1)=1\lim_{n \to \infty} S_n = \lim_{n \to \infty} \left(1 - \frac{1}{n+1}\right) = 1

よって ∑n=1∞1n(n+1)=1\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n(n+1)} = 1。


問題3: ∑n=1∞(2x)n\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} (2x)^n が収束するような xx の範囲を求めなさい。

解答:

等比無限級数(初項 2x2x、公比 2x2x)が収束するには ∣2x∣<1|2x| < 1 が必要です。

−1<2x<1  ⟹  −12<x<12-1 < 2x < 1 \implies -\frac{1}{2} < x < \frac{1}{2}

ただし x=0x = 0 のとき ∑0=0\sum 0 = 0 で収束するので、−12<x<12-\dfrac{1}{2} < x < \dfrac{1}{2}。

関連記事: 数列の極限の基本 / 関数の極限

7. クイズ

  1. 等比無限級数 1+12+14+18+⋯1 + \dfrac{1}{2} + \dfrac{1}{4} + \dfrac{1}{8} + \cdots の和はいくらですか?

    正解: 22 初項 a=1a=1、公比 r=12r=\dfrac{1}{2}。∣r∣<1|r|<1 なので S=11−12=2S = \dfrac{1}{1-\frac{1}{2}} = 2。

  2. 無限級数 ∑n=1∞(−23)n\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} \left(-\frac{2}{3}\right)^n は収束しますか? 収束する場合は和を求めなさい。

    正解: 収束し、和は −25-\dfrac{2}{5} 初項 a=−23a = -\dfrac{2}{3}、公比 r=−23r = -\dfrac{2}{3}。∣r∣=23<1|r| = \dfrac{2}{3} < 1 なので収束。S=−231−(−23)=−2353=−25S = \dfrac{-\frac{2}{3}}{1-(-\frac{2}{3})} = \dfrac{-\frac{2}{3}}{\frac{5}{3}} = -\dfrac{2}{5}。

  3. 等比無限級数 ∑n=0∞3⋅rn\displaystyle\sum_{n=0}^{\infty} 3 \cdot r^n が収束するための rr の条件を答えなさい。

    正解: −1<r<1-1 < r < 1 収束条件は ∣r∣<1|r| < 1、すなわち −1<r<1-1 < r < 1。

#無限級数#等比無限級数#収束#発散#数学III