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自然数の累乗の和の公式(Σ)

こんばんは。高校数2 自然数の累乗の和の公式 (Σ)について質問します。                  n (1)3+3+3+・・・+3=Σ3=3n   (↑3がn個)      k=1 とのことですが、証明(説明)することはできるのでしょうか? (2) n        n   (Σk)の2乗と,Σk^3の結果は同じですが、これは説明できますか?   k=1       k=1  初歩的な質問かもしれません。  参考書を読みましたが、(1)については説明がなく、また、(2)についてはΣk^2やΣk^3の証明が複雑そうなので、公式として結果だけを暗記すればよいのか、他にもう少し分かりやすい考え方がないかどうかを知りたいので質問します。  よろしくお願いします。

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noname#47894
noname#47894
回答No.4

> n=Σ1ということがいまひとつピンときません・・・ 1を3個足したら3になるし、365個足したら365になるんですから、1をn個足したらnになるという意味です。これが成り立たないようだと、そもそも数が数えられないと思いますが。 >>(初項n(n+1)+1、公差2、項数nの等差数列の和を求めてみてださい) >↑ S=n/2[{n(n-1)+1}+(n-1)×2] >=n/2{n^2-n+1+2n-2} >   =n/2{n^2+n-1} >   =(n^3+n^2-n)/2  ですよね? これはN0.3で訂正しています。 また、公式を正しく記憶していないようですが、S=n/2(「2」a+(n-1)d)ですよ。 初項(n-1)n-1、公差2、項数nの等差数列の和を求めると、 S=n/2[2{n(n-1)+1}+(n-1)×2] =n[{n(n-1)+1}+(n-1)](約分) =n[{n^2-n+1+n-1] =n^3 1^3=1 2^3=3+5 3^3=7+9+11 4^3=13+15+17+19 ... n^3={(n-1)n+1}+.....+{(n(n+1)-1} なので、 Σk^3=1+(3+5)+(7+9+11)+(13+15+17+19)+...+{(n-1)n+1+.....+(n(n+1)-1} よって、n^3乗の和は、1から n(n+1)-1 までの奇数を足したものに等しいです。 奇数を足す場合は、以下のような配列で考えると、計算がしやすいのですが、 ○●▲○△□●▲■◆ ●●▲○△□●▲■◆ ▲▲▲○△□●▲■◆ ○○○○△□●▲■◆ △△△△△□●▲■◆ □□□□□□●▲■◆ ●●●●●●●▲■◆ ▲▲▲▲▲▲▲▲■◆ ■■■■■■■■■◆ ◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆ 左上から、○が1、●が3、▲が5、○が7、△が9、□が11、●が13、▲が15、■が17、◆が19...と奇数個で並べていくと、正方形上に○等をを並べることができます。 あとは、1+(3+5)+(7+9+11)+...のようにグループに区切っていくと、(この図では白抜きと塗りつぶしで表現しています)、横も縦も1+2+3+...+n個になります。 どうしてもわからないのなら、自分で図を書いて、nを一つずつ増やしていってみてください。

kyoto1867
質問者

お礼

回答ありがとうございます。 >左上から、○が1個、●が8(=3+5)個、○が27(=7+9+11)個、●が64(=13+15+17+19)個 とn^3個の 』状のものを並べることができます。 このとき、横の個数は、1+2+3+...+n=n(n+1)/2 縦の個数も、1+2+3+...+n=n(n+1)/2 よって、全部で{n(n+1)/2}^2 ↑やっとなんとなくわかりました。すごいです! ありがとうございました。

kyoto1867
質問者

補足

回答ありがとうございます。 >1を3個足したら3になるし、365個足したら365になるんですから、1をn個足したらnになるという意味です。これが成り立たないようだと、そもそも数が数えられないと思いますが。 ↑Σ3という記号で、「3」という定数にはk(=1)やnが含まれないので違和感ので質問しました。こういうものだとおもっておきます。 3乗和を規則的に分解し、その要素が正方形の要素を構成することで2乗の形に変形することができることがわかりました。

その他の回答 (3)

noname#47894
noname#47894
回答No.3

No.1で誤記があったので、訂正します。 > n^3={(n-1)n+1}+.....+{(n(n+1)-1} > が成り立ちます。 > (初項n(n+1)+1、公差2、項数nの等差数列の和を求めてみてください) のところは、初項(n-1)n+1、公差2、項数nの等差数列の和 ですね。 ついでに、Σk^2 についてですが、 1^2=1 2^2=1+3 3^2=1+3+5 4^2=1+3+5+7 ... n^2=1+3+....+(2n-3)+(2n-1) で、似たようなものをあと2つ作ります。 逆向き 1^2=1 2^2=3+1 3^2=5+3+1 4^2=7+5+3+1 ... n^2=(2n-1)+(2n-3)+....+3+1 縦横入れ替え n^2 = (2n-1) + (2n-3) + .....4^2 + ...= 7 ...7 3^2 + ...+ = 5 ...5 5 2^2  + ...+ + = 3 ...3 3 3 1^2 + ...+ + + = 1 ...1 1 1 1 で、同じ位置のものを重ねて足していくと (2n+1) ... (2n+1)+(2n+1) (2n+1)+(2n+1)+(2n+1) (2n+1)+(2n+1)+(2n+1)+(2n+1) (2n+1)+(2n+1)+(2n+1)+(2n+1)+(2n+1) となり、(2n+1)が三角状に並びます。(2n+1)が、三角数n(n+1)/2個分あるので、全部でn(n+1)(2n+1)/2 しかし、これは同じものを3つ重ねたのだから、一つはn(n+1)(2n+1)/6=Σk^2 

kyoto1867
質問者

お礼

回答ありがとうございます。 ついでなので、2乗和についても、もう少し説明していただけるとありがたいです。よろしくお願いします。

kyoto1867
質問者

補足

回答ありがとうございます。 回答を読ませていただきましたが、ギブアップです。 もう少し詳しい解説をお願いいたします。 (質問ばかりですいません。)

  • zk43
  • ベストアンサー率53% (253/470)
回答No.2

(2) 1^3+2^3 =1+2・2^2 =1+2^2+2^2 =1+2・1・2+2^2 =(1+2)^2=3^2 1^3+2^3+3^3 =3^2+3・3^2 =3^2+2・3^2+3^2 =3^2+2・3・3+3^2 =(3+3)^2 =(1+2+3)^2=6^2 1^3+2^3+3^3+4^3 =6^2+4・4^2 =6^2+3・4^2+4^2 =6^2+2・6・4+4^2 =(6+4)^2 =(1+2+3+4)^2=10^2 ・・・ というように、3乗和は常に、(x+y)^2の形になるようです。 ここに、xは前の段階の数で、yが新たに加わる数です。 一般の証明もできると思います。 新たに加わるn^3で、nが偶数か奇数で場合分けして考えれば良いと 思います。 新たに加わるn^3を、(n-1)n^2とn^2に分けると、うまく (x+y)^2の形になる。 最初半角で書いたらものすごく見にくくなってしまったので、全角で 書きました。 実際に自分で手を動かして計算して行ってみると、メカニズムが見えて くると思います。 (1)は単に3がn個だから3のn倍かと・・・Σを使う必要もない。

kyoto1867
質問者

補足

回答ありがとうございます。 >=1+2・1・2+2^2 =(1+2)^2 ↑この式変形がわかりません。 もう少し解説をお願いします。

noname#47894
noname#47894
回答No.1

> (1)3+3+3+・・・+3=Σ3=3n 3+3+3+・・・+3=3(1+1+・・・+1)=3n ではだめですか? 1+1+・・・+1=n も証明しないといけないとすると、難しくなりますが... > (2) (Σk)の2乗と,Σk^3の結果は同じですが、これは説明できますか? (Σk)は、三角数とよく呼ばれるもので ○ ○○ ○○○ ○○○○ ... の○の個数です。 ○●●●● ○○●●● ○○○●● ○○○○● こんな感じに並べると、縦がn個、横が(n+1)個 ○の総数はその半分で、n(n+1)/2個 Σk^3ですが、 1^3=1 2^3=3+5 3^3=7+9+11 4^3=13+15+17+19 ... n^3={(n-1)n+1}+.....+{(n(n+1)-1} が成り立ちます。 (初項n(n+1)+1、公差2、項数nの等差数列の和を求めてみてください) そこで、奇数を並べていけば、3乗和が求められるので、 ○●●○○○●●●● ●●●○○○●●●● ●●●○○○●●●● ○○○○○○●●●● ○○○○○○●●●● ○○○○○○●●●● ●●●●●●●●●● ●●●●●●●●●● ●●●●●●●●●● ●●●●●●●●●● 左上から、○が1個、●が8(=3+5)個、○が27(=7+9+11)個、●が64(=13+15+17+19)個 とn^3個の 』状のものを並べることができます。 このとき、横の個数は、1+2+3+...+n=n(n+1)/2 縦の個数も、1+2+3+...+n=n(n+1)/2 よって、全部で{n(n+1)/2}^2

kyoto1867
質問者

お礼

回答ありがとうございます。 > (1)3+3+3+・・・+3=Σ3=3n >3+3+3+・・・+3=3(1+1+・・・+1)=3n ではだめですか? ↑ n=Σ1ということがいまひとつピンときません・・・

kyoto1867
質問者

補足

回答ありがとうございます。 再度質問させていただきます。 >(初項n(n+1)+1、公差2、項数nの等差数列の和を求めてみてださい) ↑ S=n/2[{n(n-1)+1}+(n-1)×2] =n/2{n^2-n+1+2n-2}    =n/2{n^2+n-1}    =(n^3+n^2-n)/2  ですよね? >そこで、奇数を並べていけば、3乗和が求められるので、 ○●●○○○●●●● ●●●○○○●●●● ●●●○○○●●●● ○○○○○○●●●● ○○○○○○●●●● ○○○○○○●●●● ●●●●●●●●●● ●●●●●●●●●● ●●●●●●●●●● ●●●●●●●●●● >このとき、横の個数は、1+2+3+...+n=n(n+1)/2 縦の個数も、1+2+3+...+n=n(n+1)/2 ↑どうもいまひとつピンときません… もう少し解説していただけるとありがたいです。

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