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Σの計算【シグマの公式・数列の和】

公開日: 2026/7/11

📐 公式まとめ

  • 1. Σ記号とは

    ∑k=1nak=a1+a2+a3+⋯+an\sum_{k=1}^{n} a_k = a_1 + a_2 + a_3 + \cdots + a_n
  • 1. Σ記号とは

    ∑k=14k=1+2+3+4=10\sum_{k=1}^{4} k = 1 + 2 + 3 + 4 = 10
  • 1. Σ記号とは

    ∑k=13k2=12+22+32=1+4+9=14\sum_{k=1}^{3} k^2 = 1^2 + 2^2 + 3^2 = 1 + 4 + 9 = 14
  • 2. Σの性質

    ∑k=1ncak=c∑k=1nak\sum_{k=1}^{n} ca_k = c \sum_{k=1}^{n} a_k
  • 2. Σの性質

    ∑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
  • 2. Σの性質

    ∑k=1nc=nc\sum_{k=1}^{n} c = nc
  • 3.1. 公式1:自然数の和

    ∑k=1nk=n(n+1)2\sum_{k=1}^{n} k = \frac{n(n+1)}{2}
  • 3.2. 公式2:自然数の2乗の和

    ∑k=1nk2=n(n+1)(2n+1)6\sum_{k=1}^{n} k^2 = \frac{n(n+1)(2n+1)}{6}
  • 3.3. 公式3:自然数の3乗の和

    ∑k=1nk3={n(n+1)2}2\sum_{k=1}^{n} k^3 = \left\{ \frac{n(n+1)}{2} \right\}^2

Σの計算【シグマの公式・数列の和】

数学Bの「数列」分野において、Σ(シグマ)記号は数列の和をコンパクトに表す非常に便利な記法です。Σの定義と基本公式を理解することで、複雑な数列の和も効率よく計算できるようになります。


1. Σ記号とは

∑k=1nak\displaystyle\sum_{k=1}^{n} a_k は「kk を 11 から nn まで変化させたときの aka_k の総和」を表します。

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

読み方: 「k=1k=1 から nn までの aka_k の和」

具体例:

∑k=14k=1+2+3+4=10\sum_{k=1}^{4} k = 1 + 2 + 3 + 4 = 10 ∑k=13k2=12+22+32=1+4+9=14\sum_{k=1}^{3} k^2 = 1^2 + 2^2 + 3^2 = 1 + 4 + 9 = 14

2. Σの性質

cc を定数とするとき、以下の性質が成り立ちます。

性質1(定数倍):

∑k=1ncak=c∑k=1nak\sum_{k=1}^{n} ca_k = c \sum_{k=1}^{n} a_k

性質2(和の分割):

∑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

性質3(定数の和):

∑k=1nc=nc\sum_{k=1}^{n} c = nc

3. 基本公式3つ

以下の3つの公式は最重要です。必ず覚えておきましょう。

3.1. 公式1:自然数の和

∑k=1nk=n(n+1)2\sum_{k=1}^{n} k = \frac{n(n+1)}{2}

導き方: S=1+2+⋯+nS = 1 + 2 + \cdots + n と S=n+(n−1)+⋯+1S = n + (n-1) + \cdots + 1 を足すと 2S=n(n+1)2S = n(n+1)。

3.2. 公式2:自然数の2乗の和

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

3.3. 公式3:自然数の3乗の和

∑k=1nk3={n(n+1)2}2\sum_{k=1}^{n} k^3 = \left\{ \frac{n(n+1)}{2} \right\}^2

この公式3は注目に値します。∑k=1nk3=(∑k=1nk)2\displaystyle\sum_{k=1}^{n} k^3 = \left(\sum_{k=1}^{n} k\right)^2 が成り立っています。


4. 例題

4.1. 例題1:基本公式の利用

問題: ∑k=110k\displaystyle\sum_{k=1}^{10} k と ∑k=110k2\displaystyle\sum_{k=1}^{10} k^2 を求めよ。

解答:

∑k=110k=10×112=55\sum_{k=1}^{10} k = \frac{10 \times 11}{2} = 55 ∑k=110k2=10×11×216=23106=385\sum_{k=1}^{10} k^2 = \frac{10 \times 11 \times 21}{6} = \frac{2310}{6} = 385

4.2. 例題2:Σの性質を使った計算

問題: ∑k=1n(3k2+2k−1)\displaystyle\sum_{k=1}^{n} (3k^2 + 2k - 1) を nn の式で表せ。

解答:

Σの性質(和の分割・定数倍)を使って

∑k=1n(3k2+2k−1)=3∑k=1nk2+2∑k=1nk−∑k=1n1\sum_{k=1}^{n} (3k^2 + 2k - 1) = 3\sum_{k=1}^{n} k^2 + 2\sum_{k=1}^{n} k - \sum_{k=1}^{n} 1

各公式を代入すると

=3⋅n(n+1)(2n+1)6+2⋅n(n+1)2−n= 3 \cdot \frac{n(n+1)(2n+1)}{6} + 2 \cdot \frac{n(n+1)}{2} - n =n(n+1)(2n+1)2+n(n+1)−n= \frac{n(n+1)(2n+1)}{2} + n(n+1) - n =n{(n+1)(2n+1)2+(n+1)−1}= n \left\{ \frac{(n+1)(2n+1)}{2} + (n+1) - 1 \right\} =n⋅(n+1)(2n+1)+2(n+1)−22= n \cdot \frac{(n+1)(2n+1) + 2(n+1) - 2}{2} =n⋅2n2+3n+1+2n+2−22= n \cdot \frac{2n^2 + 3n + 1 + 2n + 2 - 2}{2} =n⋅2n2+5n+12= n \cdot \frac{2n^2 + 5n + 1}{2} =n(2n2+5n+1)2= \frac{n(2n^2 + 5n + 1)}{2}

4.3. 例題3:添字の変換

問題: ∑k=1n(2k−1)\displaystyle\sum_{k=1}^{n} (2k-1) を求めよ(11 から nn までの奇数の和)。

解答:

∑k=1n(2k−1)=2∑k=1nk−∑k=1n1=2⋅n(n+1)2−n=n(n+1)−n=n2\sum_{k=1}^{n} (2k-1) = 2\sum_{k=1}^{n} k - \sum_{k=1}^{n} 1 = 2 \cdot \frac{n(n+1)}{2} - n = n(n+1) - n = n^2

確認: 1+3+5+⋯+(2n−1)=n21 + 3 + 5 + \cdots + (2n-1) = n^2 は有名な公式です。例えば n=4n=4 のとき 1+3+5+7=16=421+3+5+7=16=4^2 で確認できます。


4.4. 例題4:部分分数分解との組み合わせ

問題: ∑k=1n1k(k+1)\displaystyle\sum_{k=1}^{n} \frac{1}{k(k+1)} を求めよ。

解答:

部分分数分解を使います。

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

よって

∑k=1n1k(k+1)=∑k=1n(1k−1k+1)\sum_{k=1}^{n} \frac{1}{k(k+1)} = \sum_{k=1}^{n} \left(\frac{1}{k} - \frac{1}{k+1}\right)

これは望遠鏡和(テレスコーピング)の形で、中間の項が消えて

=(1−12)+(12−13)+⋯+(1n−1n+1)=1−1n+1=nn+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) = 1 - \frac{1}{n+1} = \frac{n}{n+1}

5. Σを使う際の注意点

  • kk はシグマ内だけで有効なダミー変数(束縛変数)。外では使えません。
  • ∑k=1nk2≠(∑k=1nk)2\displaystyle\sum_{k=1}^{n} k^2 \neq \left(\sum_{k=1}^{n} k\right)^2 に注意(公式3は3乗の場合のみ成立)。
  • 問題によっては添字の開始が k=0k=0 や k=2k=2 になる場合もあります。その場合は公式を適用する前に添字を調整しましょう。

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7. クイズ

1. ∑k=15k\displaystyle\sum_{k=1}^{5} k の値はいくらか。

  • 答えを見る正解:1515 5×62=15\dfrac{5 \times 6}{2} = 15

2. ∑k=1n4\displaystyle\sum_{k=1}^{n} 4 を nn の式で表せ。

  • 答えを見る正解:4n4n ∑k=1nc=nc\displaystyle\sum_{k=1}^{n} c = nc より ∑k=1n4=4n\displaystyle\sum_{k=1}^{n} 4 = 4n

3. ∑k=14k2\displaystyle\sum_{k=1}^{4} k^2 の値はいくらか。

  • 答えを見る正解:3030 4×5×96=1806=30\dfrac{4 \times 5 \times 9}{6} = \dfrac{180}{6} = 30
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