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応用分野: Σkの計算式Σkの4乗の計算式

k=1nk3の計算式

数列 1 3 , 2 3 , 3 3 , , n 3 の和(和記号Σを参照)

k = 1 n k 3 = 1 3 + 2 3 + 3 3 + + n 3 = { n ( n + 1 ) 2 } 2

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■公式の証明

( k + 1 ) 4 k 4 = 4 k 3 + 6 k 2 + 4 k + 1 に順に k = 1 , 2 , 3 , , n を代入し,以下のように縦にそろえて加えると

  2 4 1 4 = 4 · 1 3 + 6 · 1 2 + 4 · 1 + 1
  3 4 2 4 = 4 · 2 3 + 6 · 2 2 + 4 · 2 + 1
  4 4 3 4 = 4 · 3 3 + 6 · 3 2 + 4 · 3 + 1
         
         
         
+ ) ( n + 1 ) 4 n 4 = 4 · n 3 + 6 n 2 + 4 · n + 1
( n + 1 ) 4 1 = 4 k = 1 n k 3 + 6 k = 1 n k 2 + 4 k = 1 n k + n ¯

上式を, k = 1 n k 3 = 1 4 { ( n + 1 ) 4 1 6 k = 1 n k 2 4 k = 1 n k n } と整理し,右辺に k = 1 n k = 1 2 n ( n + 1 ) 参照), k = 1 n k 2 = 1 6 n ( n + 1 ) ( 2 n + 1 ) 参照)をそれぞれ代入する.

k = 1 n k 3 = 1 4 { ( n + 1 ) 4 1 6 k = 1 n k 2 4 k = 1 n k n }

= 1 4 { ( n + 1 ) 4 6 k = 1 n k 2 4 k = 1 n k n 1 }

= 1 4 { ( n + 1 ) 4 n ( n + 1 ) ( 2 n + 1 ) 2 n ( n + 1 ) ( n + 1 ) }

= 1 4 ( n + 1 ) { ( n + 1 ) 3 n ( 2 n + 1 ) 2 n 1 }

= 1 4 ( n + 1 ) { ( n 3 + 3 n 2 + 3 n + 1 ) ( 2 n 2 + n ) 2 n 1 }

= 1 4 ( n + 1 ) { n 3 + ( 3 2 ) n 2 + ( 3 1 2 ) n + ( 1 1 ) }

= 1 4 ( n + 1 ) ( n 3 + n 2 )

= 1 4 ( n 4 + n 3 + n 3 + n 2 )

= 1 4 ( n 4 + 2 n 3 + n 2 )

= 1 4 n 2 ( n 2 + 2 n + 1 )

= { 1 2 n ( n + 1 ) } 2

 

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最終更新日: 2025年2月21日

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