
今日の板書はこれ!
■ 分数の数列の和
部分分数分解を利用し、一般項を差の形にする。
\(\frac{1}{AB}=\frac{1}{B-A}\left(\frac{1}{A}-\frac{1}{B}\right)\)
次の和 \(S\) を求めよ。
\(S=\frac{1}{1\cdot 2}+\frac{1}{2\cdot 3}+\frac{1}{3\cdot 4}+\cdots+\frac{1}{n(n+1)}\)
▼ 解答
\(\begin{aligned}\frac{1}{k(k+1)}&=\frac{1}{(k+1)-k}\left(\frac{1}{k}-\frac{1}{k+1}\right)\\[8pt]&={\color{#45A3DA}{\frac{1}{k}}}-{\color{#E9548E}{\frac{1}{k+1}}}\end{aligned}\)
より
\(\begin{aligned}S&=\left({\color{#45A3DA}{1}}-\tfrac{1}{2}\right)+\left(\tfrac{1}{2}-\tfrac{1}{3}\right)+\cdots+\left(\tfrac{1}{n}-{\color{#E9548E}{\tfrac{1}{n+1}}}\right)\\[8pt]&=1-\tfrac{1}{n+1}\\[8pt]&={\color{#EE4656}{\tfrac{n}{n+1}}}\end{aligned}\)

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現役教員として数学を教えている「さん」と申します。
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部分分数分解で一般項を差の形にする
\(\frac{1}{2}-\frac{1}{3}\) を通分すると \(\frac{3-2}{2\cdot 3}=\frac{1}{2\cdot 3}\) となります。
逆に見ると、\(\frac{1}{2\cdot 3}\) は2つの分数の差 \(\frac{1}{2}-\frac{1}{3}\) に分けられるということです。
このように、分母が積になっている分数を、分数の差に分けることを 部分分数分解 といいます。
一般に、次の式が成り立ちます。
\(\frac{1}{AB}=\frac{1}{B-A}\left(\frac{1}{A}-\frac{1}{B}\right)\)
右辺を通分すると \(\frac{1}{B-A}\cdot\frac{B-A}{AB}\) となり、左辺に戻ることが確かめられます。
分母の2つの因数の差 \(B-A\) で割っておくのがポイントです。

分母の2つの数の差が1なら、前の \(\frac{1}{B-A}\) は1になるから、そのまま差に分けるだけでいいよ!
打ち消し合いを使って分数の和を求める
次の和 \(S\) を求めよ。
\(S=\frac{1}{1\cdot 2}+\frac{1}{2\cdot 3}+\frac{1}{3\cdot 4}+\cdots+\frac{1}{n(n+1)}\)
第 \(k\) 項は \(\frac{1}{k(k+1)}\) です。
分母の2つの因数 \(k\) と \(k+1\) の差は \(1\) なので、部分分数分解すると次のようになります。
\(\begin{aligned}\frac{1}{k(k+1)}&=\frac{1}{(k+1)-k}\left(\frac{1}{k}-\frac{1}{k+1}\right)\\[8pt]&={\color{#45A3DA}{\frac{1}{k}}}-{\color{#E9548E}{\frac{1}{k+1}}}\end{aligned}\)
これを使って、\(S\) の各項を差の形に書きかえます。
すると、ある項の 引く部分 と、次の項の 足す部分 が同じ数になり、打ち消し合います。
\(\begin{aligned}S&=\left({\color{#45A3DA}{1}}-\tfrac{1}{2}\right)+\left(\tfrac{1}{2}-\tfrac{1}{3}\right)+\cdots+\left(\tfrac{1}{n}-{\color{#E9548E}{\tfrac{1}{n+1}}}\right)\\[8pt]&=1-\tfrac{1}{n+1}\\[8pt]&={\color{#EE4656}{\tfrac{n}{n+1}}}\end{aligned}\)
途中の項がすべて消えて、最初の \(1\) と最後の \(-\frac{1}{n+1}\) だけが残る のが、この方法のポイントです。

たとえば \(\frac{1}{(2k-1)(2k+1)}\) は、分母の因数の差が \((2k+1)-(2k-1)=2\) です。
そのため、\(\frac{1}{2}\left(\frac{1}{2k-1}-\frac{1}{2k+1}\right)\) のように、前に \(\frac{1}{2}\) が付きます。
前に付いた分数は、打ち消し合いの計算が終わったあとにまとめて掛ければよいです。
練習問題
恒等式 \(\frac{1}{(2k-1)(2k+1)}=\frac{1}{2}\left(\frac{1}{2k-1}-\frac{1}{2k+1}\right)\) を利用して、次の和 \(S\) を求めよ。
\(S=\frac{1}{1\cdot 3}+\frac{1}{3\cdot 5}+\frac{1}{5\cdot 7}+\cdots+\frac{1}{(2n-1)(2n+1)}\)
答えを見る
\(S=\frac{1}{2}\left\{\left(1-\frac{1}{3}\right)+\left(\frac{1}{3}-\frac{1}{5}\right)+\cdots+\left(\frac{1}{2n-1}-\frac{1}{2n+1}\right)\right\}\)
\(=\frac{1}{2}\left(1-\frac{1}{2n+1}\right)=\) \(\frac{n}{2n+1}\)
次の和 \(S\) を求めよ。
\(S=\frac{1}{1\cdot 4}+\frac{1}{4\cdot 7}+\frac{1}{7\cdot 10}+\cdots+\frac{1}{(3n-2)(3n+1)}\)
答えを見る
\(\frac{1}{(3k-2)(3k+1)}=\frac{1}{3}\left(\frac{1}{3k-2}-\frac{1}{3k+1}\right)\) より
\(S=\frac{1}{3}\left(1-\frac{1}{3n+1}\right)=\) \(\frac{n}{3n+1}\)
まとめ:分数の数列の和

さて、今回のまとめだよ!
■ 分数の数列の和
部分分数分解を利用し、一般項を差の形にする。
\(\frac{1}{AB}=\frac{1}{B-A}\left(\frac{1}{A}-\frac{1}{B}\right)\)

また一つ賢くなった!

一人だと続かない人は、こんな方法もあるよ!




