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二乗の和の公式

本項では以下の内容を解説しています。

  • ・二乗の和の公式
  • ・和の公式の証明
  • ・問題と解き方

【1】二乗の和の公式

\(\large{1}\) から \(\large{\hspace{1pt} n \hspace{1pt}}\) までの自然数の数列の和 $$\large{S_n = 1 + 2 + 3 + \cdots + n}$$ は 初項 \(\large{a \hspace{1pt}}\), 末項 \(\large{l \hspace{1pt}}\), 項数 \(\large{n}\) の等差数列の和の公式 $$\large{S_n = \frac{1}{2} n (a+l)}$$ において、初項 \(\large{a=1}\), 末項 \(\large{l=n}\) とすればよいので、 $$\large{1 + 2 + 3 + \cdots + n = \frac{1}{2} n (n+1)}$$ と求められます。

一方、自然数の二乗の和 $$\large{S_n = 1^2 + 2^2 + 3^2 + \cdots + n^2}$$ は以下のような公式で求められます。

【二乗の和の公式】
\(\displaystyle\large{1^2 + 2^2 + \cdots + n^2 = \frac{1}{6}n(n+1)(2n+1)}\)

・例題

【例題】
次の数列の和を求めよ。 $$\large{1^2 + 2^2 + 3^2 + \cdots +10^2}$$

例題の数列は、自然数の二乗の数列であるため、二乗の和の公式 $$\large{S_n = \frac{1}{6}n(n+1)(2n+1)}$$ に \(\large{n=10}\) を代入すると \begin{eqnarray} \large S_{10} &\large =&\large \frac{1}{6}\cdot 10 \cdot (10+1) \cdot(2\cdot 10+1)\\[0.7em] \large &\large =&\large \frac{1}{6}\cdot 10 \cdot 11 \cdot 21\\[0.7em] \large &\large =&\large 385\\[0.7em] \end{eqnarray} したがって、問題の数列の和は \(\large{385}\) となります。

・二乗の和の公式の証明

本章では、先述した二乗の和の公式 $$\large{1^2 + 2^2 + \cdots + n^2 = \frac{1}{6}n(n+1)(2n+1) }$$を証明します。

二乗の和の公式の証明には、以下の式を使用します。 $$\large{(k+1)^3-k^3 = 3k^2 + 3k +1 \hspace{15pt}(1)}$$

(1)式において、\(\large{k=1\hspace{1pt},\hspace{1pt}2\hspace{1pt},\hspace{1pt}3,\cdots,\hspace{1pt}n}\) の計算結果を並べると、以下のようになります。 \begin{eqnarray} \large 2^3 - 1^3 &\large =&\large 3 \cdot 1^2 + 3 \cdot 1 + 1\\[0.7em] \large 3^3 - 2^3 &\large =&\large 3 \cdot 2^2 + 3 \cdot 2 + 1\\[0.7em] \large 4^3 - 3^3 &\large =&\large 3 \cdot 3^2 + 3 \cdot 3 + 1\\[0.7em] \large \cdots & &\large \cdots\\[0.7em] \large (n+1)^3 - n^3 &\large =&\large 3 \cdot n^2 + 3 \cdot n + 1\\[0.7em] \end{eqnarray}

上記の \(\large{n}\)個の式の両辺を足し合わせると、

\begin{eqnarray} \large \hspace{10pt} &&\large (n+1)^3 -1^3 \\[0.7em] & &\large = 3\hspace{1pt}(1^2 + 2^2 + 3^2 + \cdots + n^2) + 3 \hspace{1pt}(1 + 2 + 3 + \cdots + n)+n\hspace{10pt}(2)\hspace{10pt}\\[0.7em] \end{eqnarray}

となります。

ここで、\(\large{1}\) から \(\large{n}\) までの自然数の二乗の和を \(\large{S_n}\) とおきます。 $$\large{S_n = 1^2 + 2^2 + 3^2 + \cdots + n^2}$$ また、\(\large{1}\) から \(\large{n}\) までの自然数の和が $$\large{1+2+3+ \cdots + n = \frac{1}{2} n (n+1)}$$ と表されることから、(2)式は $$\large{(n+1)^3 -1^3 = 3\hspace{1pt}S_n+ \frac{3}{2}n(n+1)+n}$$ となります。

上式から \(\large{S_n}\) を求めると、 \begin{eqnarray} \large 3S_n &\large =&\large (n+1)^3-1-\frac{3}{2}n(n+1)-n\\[0.7em] \large &\large =&\large \frac{1}{2}n(n+1)(2n+1)\\[0.7em] \end{eqnarray} すなわち、 $$\large{S_n = \frac{1}{6}n(n+1)(2n+1)}$$ 以上から、二乗の和の公式が導出されます。

【二乗の和の公式】
\(\displaystyle\large{1^2 + 2^2 + \cdots + n^2 = \frac{1}{6}n(n+1)(2n+1)}\)

【2】二乗の和の問題と解き方

本章では、二乗の和に関する問題と解き方について解説します。

問題(1)
次の数列の和を求めよ
$$\large{7^2+8^2+9^2+10^2+\cdots+15^2}$$
問題(2)
次の数列の和を求めよ
$$\large{2^2+4^2+6^2+\cdots + (2n)^2}$$
問題(3)
次の数列の和を求めよ
$$\large{1^2+3^2+5^2+\cdots + (2n-1)^2}$$

問題1. 二乗の和の問題

問題(1)
次の数列の和を求めよ
$$\large{7^2+8^2+9^2+10^2+\cdots+15^2}$$

【問題1の解答】
問題の数列の和は、 二乗の数列の和であるため、二乗の和の公式 \begin{eqnarray} \large S_n &\large =&\large 1^2 + 2^2 + 3^2 + \cdots + n^2\\[0.7em] \large &\large =&\large \frac{1}{6}n(n+1)(2n+1)\\[0.7em] \end{eqnarray} から求めます。

問題の数列の和は、\(\large{15}\) の二乗までの和 \(\large{(S_{15})}\) から \(\large{6}\) の二乗までの和 \(\large{(S_6)}\) を引くことで和を求めます。 $$\large{S = S_{15} - S_6}$$

まず、\(\large{1}\) の二乗から \(\large{6}\) の二乗までの和は \begin{eqnarray} \large S_{6} &\large =&\large \frac{1}{6}\cdot 6 \cdot (6+1) \cdot(2\cdot 6+1)\\[0.7em] \large &\large =&\large \frac{1}{6}\cdot 6 \cdot 7 \cdot 13\\[0.7em] \large &\large =&\large 91\\[0.7em] \end{eqnarray} となります。

次に、\(\large{1}\) の二乗から \(\large{15}\) の二乗までの和は \begin{eqnarray} \large S_{15} &\large =&\large \frac{1}{6}\cdot 15 \cdot (15+1) \cdot(2\cdot 15+1)\\[0.7em] \large &\large =&\large \frac{1}{6}\cdot 15 \cdot 16 \cdot 31\\[0.7em] \large &\large =&\large 1240\\[0.7em] \end{eqnarray} となります。

したがって、求める和は \begin{eqnarray} \large S &\large =&\large S_{15}-S_6\\[0.7em] \large &\large =&\large 1240 - 91\\[0.7em] \large &\large =&\large 1149\\[0.7em] \end{eqnarray} となります。

問題2. 偶数の二乗の和

問題(2)
次の数列の和を求めよ
$$\large{2^2+4^2+6^2+\cdots + (2n)^2}$$

【問題2の解答】
問題の数列の和は、 偶数の二乗の和であるため、二乗の和の公式 \begin{eqnarray} \large S_n &\large =&\large 1^2 + 2^2 + 3^2 + \cdots + n^2\\[0.7em] \large &\large =&\large \frac{1}{6}n(n+1)(2n+1)\\[0.7em] \end{eqnarray} が利用できるように変形します。

問題の数列の和を変形すると、

\begin{eqnarray} \large S_n &\large =&\large 2^2+4^2+6^2+\cdots + (2n)^2\\[0.7em] \large &\large =&\large (2\cdot 1)^2 + (2\cdot 2)^2 + (2\cdot 3)^2 +\cdots +(2\cdot n)^2\\[0.7em] \large &\large =&\large 2^2 \cdot (1^2 + 2^2 + 3^2 +\cdots + n^2)\\[0.7em] \large &\large =&\large 2^2 \cdot \frac{1}{6}n(n+1)(2n+1)\\[0.7em] \large &\large =&\large \frac{2}{3}n(n+1)(2n+1)\\[0.7em] \end{eqnarray}

と求められます。

問題3. 奇数の二乗の和

問題(3)
次の数列の和を求めよ
$$\large{1^2+3^2+5^2+\cdots + (2n-1)^2}$$

【問題2の解答】
問題の数列の和は、 奇数の二乗の和であるため、二乗の和の公式 \begin{eqnarray} \large S_n &\large =&\large 1^2 + 2^2 + 3^2 + \cdots + n^2\\[0.7em] \large &\large =&\large \frac{1}{6}n(n+1)(2n+1)\\[0.7em] \end{eqnarray} が利用できるように変形します。

問題の数列の和を変形すると、

\begin{eqnarray} \large \hspace{10pt}S_n &\large =&\large 1^2+3^2+5^2+\cdots + (2n-1)^2\\[0.7em] \large &\large =&\large (2\cdot 1-1)^2 + (2\cdot 2-1)^2 + (2\cdot 3-1)^2 +\cdots +(2\cdot n-1)^2\hspace{10pt}\\[0.7em] \large &\large =&\large 2^2 (1^2+2^2+ \cdots +n^2)-4(1+2+ \cdots +n)+ n\\[0.7em] \large &\large =&\large 2^2 \cdot \frac{1}{6}n(n+1)(2n+1)-4 \cdot \frac{1}{2} n (n+1) + n\\[0.7em] \large &\large =&\large \frac{2}{3}n(n+1)(2n+1) - 2n (n+1) + n\\[0.7em] \large &\large =&\large \frac{1}{3}n \left\{2(n+1)(2n+1) - 6 (n+1) + 3\right\}\\[0.7em] \large &\large =&\large \frac{1}{3}n(4n^2 - 1)\\[0.7em] \end{eqnarray}

と求められます。


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