【数学B】数列17:群数列

群数列 数列
さん
さん

今日の板書はこれ!

群数列

■ 群数列
各群の項数の数列を調べ、第 \(n\) 群の終わりまでの項数の和を求めておく。

第何群の何番目から最初から何番目を求めるか、最初から何番目から第何群の何番目を求める。

例題

正の偶数の列を、次のような群に分ける。ただし、第 \(n\) 群には \(n\) 個の数が入るものとする。
\(2\ |\ 4,\ 6\ |\ 8,\ 10,\ 12\ |\ 14,\ 16,\ 18,\ 20\ |\ 22,\ \cdots\)
(1) 第 \(n\) 群の最初の数を \(n\) の式で表せ。
(2) 第10群に入るすべての数の和 \(S\) を求めよ。


▼ 解答

各群の項数は \(1,\ 2,\ 3,\ \cdots\) であるから、第 \(k\) 群には \(k\) 個の数が入る。

第 \(n\) 群の終わりまでの項数の和は \(1+2+\cdots+n=\frac{1}{2}n(n+1)\)

(1) 元の数列の第 \(k\) 項は \(2k\) である。

第 \(n\) 群の最初の数は、第 \(n-1\) 群の最後の項の次の項であるから、最初から \({\color{#E9548E}{\frac{1}{2}(n-1)n+1}}\) 番目である。

\(\begin{aligned}2\left\{\tfrac{1}{2}(n-1)n+1\right\}&={\color{#EE4656}{n^2-n+2}}\end{aligned}\)

(2) 第10群の最初の数は、(1)より \(10^2-10+2=92\)

よって \(S\) は、初項 \(92\)、公差 \(2\)、項数 \(10\) の等差数列の和であるから

\(S=\frac{1}{2}\cdot 10\cdot\{2\cdot 92+(10-1)\cdot 2\}={\color{#EE4656}{1010}}\)

生徒
生徒

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さん
さん

勉強してるのに点が取れない人は、こっちも読んでみて!

群数列とは?

数列をいくつかのまとまりに区切ったものを 群数列 といい、1つひとつのまとまりを 群 といいます。

たとえば、正の偶数を、第 \(n\) 群に \(n\) 個ずつ入るように区切ると、次のようになります。

群数列の区切り方

群数列では、1つの数を「第何群の何番目」と「最初から何番目」の2通りで表せます。

たとえば \(10\) は「第3群の2番目」であり、「最初から5番目」でもあります。

この2つを行き来できるようにするのがポイントです。

10を第何群の何番目と最初から何番目の2通りで表す

第n群の終わりまでに何個あるかを求める

第1群に1個、第2群に2個、第3群に3個、…と入るので、第 \(n\) 群の終わりまでに入っている数の個数は、次のようになります。

\(1+2+3+\cdots+n=\frac{1}{2}n(n+1)\)

たとえば第3群の終わりまでには \(\frac{1}{2}\cdot 3\cdot 4=6\) 個の数があり、実際に \(12\) は最初から6番目です。

第3群の終わりまでに6個の数がある
さん
さん

群数列では、まず「各群に何個入るか」を確認して、「第 \(n\) 群の終わりまでに何個あるか」を求めておこう!

群数列の最初の数と群の和を求める

第n群の最初の数を求める

例題

正の偶数の列を、次のような群に分ける。ただし、第 \(n\) 群には \(n\) 個の数が入るものとする。

\(2\ |\ 4,\ 6\ |\ 8,\ 10,\ 12\ |\ 14,\ 16,\ 18,\ 20\ |\ 22,\ \cdots\)

(1) 第 \(n\) 群の最初の数を \(n\) の式で表せ。

(2) 第10群に入るすべての数の和 \(S\) を求めよ。

まず、各群の項数を調べます。

第1群に1個、第2群に2個、第3群に3個、…と入っているので、各群の項数の数列は \(1,\ 2,\ 3,\ \cdots\) で、第 \(k\) 群には \(k\) 個の数が入っています。

次に、第 \(n\) 群の終わりまでの項数の和を求めておきます。

\(1+2+3+\cdots+n=\frac{1}{2}n(n+1)\)

さん
さん

ここまでが群数列の下準備だよ。この式を使って (1)(2) を解いていこう!

(1) では、第 \(n\) 群の1番目 が 最初から何番目 かを考えます。

第 \(n\) 群の最初の数は、第 \(n-1\) 群の最後の数の次の数です。

第 \(n-1\) 群の終わりまでの個数は、下準備で求めた式 \(\frac{1}{2}n(n+1)\) の \(n\) に \(n-1\) を代入して求めます。

\(\begin{aligned}\tfrac{1}{2}(n-1)\{(n-1)+1\}&=\tfrac{1}{2}(n-1)n\end{aligned}\)

第 \(n\) 群の最初の数はその次の数なので、最初から \({\color{#E9548E}{\frac{1}{2}(n-1)n+1}}\) 番目となります。

第n群の最初の数が最初から何番目かを表す図

元の数列は正の偶数なので、第 \(k\) 項は \(2k\) です。

この \(k\) に、いま求めた番号を代入します。

\(\begin{aligned}2\left\{\tfrac{1}{2}(n-1)n+1\right\}&=n^2-n+2\end{aligned}\)

よって、第 \(n\) 群の最初の数は \(n^2-n+2\) です。

\(n=3\) を代入すると \(8\) となり、図と一致します。

第10群に入る数の和を求める

(2) では、(1) の結果から、第10群の最初の数は \(10^2-10+2=92\) です。

第10群には \(92\) から始まる偶数が10個入るので、初項 \(92\)、公差 \(2\)、項数 \(10\) の等差数列の和になります。

第10群は92から始まる公差2の等差数列

\(S=\frac{1}{2}\cdot 10\cdot\{2\cdot 92+(10-1)\cdot 2\}={\color{#EE4656}{1010}}\)

練習問題

練習1

正の奇数の列を、次のような群に分ける。ただし、第 \(n\) 群には \(n\) 個の数が入るものとする。

\(1\ |\ 3,\ 5\ |\ 7,\ 9,\ 11\ |\ 13,\ 15,\ 17,\ 19\ |\ 21,\ \cdots\)

(1) 第 \(n\) 群の最初の数を \(n\) の式で表せ。

(2) 第15群に入るすべての数の和 \(S\) を求めよ。

答えを見る

各群の項数は \(1,\ 2,\ 3,\ \cdots\) であるから、第 \(n\) 群の終わりまでの項数の和は \(\frac{1}{2}n(n+1)\)

(1) 第 \(n\) 群の最初の数は最初から \(\frac{1}{2}(n-1)n+1\) 番目で、第 \(k\) 項は \(2k-1\) であるから

\(2\left\{\frac{1}{2}(n-1)n+1\right\}-1=\) \(n^2-n+1\)

(2) 第15群の最初の数は \(211\) であるから \(S=\frac{1}{2}\cdot 15\cdot(2\cdot 211+14\cdot 2)=\) \(3375\)

まとめ:群数列

さん
さん

さて、今回のまとめだよ!

群数列

■ 群数列
各群の項数の数列を調べ、第 \(n\) 群の終わりまでの項数の和を求めておく。

第何群の何番目から最初から何番目を求めるか、最初から何番目から第何群の何番目を求める。

生徒
生徒

また一つ賢くなった!

さん
さん

一人だと続かない人は、こんな方法もあるよ!

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