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三乗の和の公式

本項では以下の内容を解説しています。

  • ・三乗の和の公式
  • ・公式の証明
  • ・問題と解き方

【1】三乗の和の公式

まず、第\(\large{1}\)項から 第\(\large{\hspace{1pt}n \hspace{1pt}}\)項までの『自然数の和』,『二乗の和』,『三乗の和』の公式をそれぞれ示します。

【和の公式】
\begin{eqnarray} \large &\large &\large 1 + 2 + \cdots + n \hspace{10pt} = \frac{1}{2} n (n+1)\\[0.7em] \large &\large &\large 1^2 + 2^2 + \cdots + n^2 = \frac{1}{6}n(n+1)(2n+1)\\[0.7em] \large &\large &\large 1^3 + 2^3 + \cdots + n^3 = \left\{\frac{1}{2} n (n+1)\right\}^2\\[0.7em] \end{eqnarray}

本項では、上記の三乗の和の公式 $$\large{1^3 + 2^3 + \cdots + n^3 = \left\{\frac{1}{2} n (n+1)\right\}^2}$$ の証明や問題について解説します。
(二乗の和については別ページで解説しています。)

・三乗の和の公式の証明

本章では、三乗の和の公式 $$\large{1^3 + 2^3 + \cdots + n^3 = \left\{\frac{1}{2} n (n+1)\right\}^2}$$を証明します。

三乗の和の公式の証明には、以下の式を使用します。 $$\large{(k+1)^4-k^4 = 4k^3 + 6k^2 + 4k +1 \hspace{15pt}(1)}$$

(1)式において、\(\large{k=1\hspace{1pt},\hspace{1pt}2\hspace{1pt},\hspace{1pt}3,\cdots,\hspace{1pt}n}\) を代入した結果を並べると、以下のようになります。 \begin{eqnarray} \large 2^4 - 1^4 &\large =&\large 4 \cdot 1^3 + 6 \cdot 1^2 + 4 \cdot 1 + 1\\[0.7em] \large 3^4 - 2^4 &\large =&\large 4 \cdot 2^3 + 6 \cdot 2^2 + 4 \cdot 2 + 1\\[0.7em] \large 4^4 - 3^4 &\large =&\large 4 \cdot 3^3 + 6 \cdot 3^2 + 4 \cdot 3 + 1\\[0.7em] \large \cdots & &\large \cdots\\[0.7em] \large (n+1)^4 - n^4 &\large =&\large 4 \cdot n^3 + 6 \cdot n^2 + 4 \cdot n + 1\\[0.7em] \end{eqnarray}

上記の \(\large{n}\)個の式の両辺をそれぞれ加えることで

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

となります。

ここで、\(\large{1}\) から \(\large{n}\) までの三乗の和を \(\large{S_n}\) とします。 $$\large{S_n = 1^3 + 2^3 + 3^3 + \cdots + n^3}$$ また、\(\large{1}\) から \(\large{n}\) までの自然数の和は $$\large{1+2+3+ \cdots + n = \frac{1}{2} n (n+1)}$$ となります。また、\(\large{1}\) から \(\large{n}\) までの二乗の和は $$\large{1^2 + 2^2 + \cdots + n^2 = \frac{1}{6}n(n+1)(2n+1)}$$ と表されます。

以上から、(2)式を変形すると

\begin{eqnarray} \large \hspace{10pt} &&\large (n+1)^4 -1^4 \\[0.7em] & &\large = 4\hspace{1pt}S_n+ n(n+1)(2n+1) + 2n (n+1) + n\\[0.7em] \end{eqnarray}

上式から 三乗の和 \(\large{S_n}\) を求めると、

\begin{eqnarray} \large \hspace{10pt}4S_n &\large =&\large (n+1)^4-1-n(n+1)(2n+1) - 2n (n+1) - n\hspace{10pt}\\[0.8em] \large &\large =&\large (n+1)\{(n+1)^3 -n(2n+1)-2n -1\}\\[0.8em] \large &\large =&\large (n+1)\{(n+1)^3 -2n^2-n -2n -1\}\\[0.8em] \large &\large =&\large (n+1)\{(n+1)^3 -2n(n+1) -(n+1)\}\\[0.8em] \large &\large =&\large (n+1)^2\{(n+1)^2 -2n -1\}\\[0.8em] \large &\large =&\large (n+1)^2 \hspace{1pt}n^2\\[0.7em] \end{eqnarray}

すなわち、 $$\large{S_n = \left\{\frac{1}{2} n (n+1)\right\}^2}$$ 以上から、三乗の和の公式が導出されます。

【三乗の和の公式】
\(\displaystyle\large{1^3 + 2^3 + \cdots + n^3 = \left\{\frac{1}{2} n (n+1)\right\}^2}\)

・例題

【例題】
次の数列の和を求めよ。 $$\large{1^3 + 2^3 + 3^3 + \cdots +8^3}$$

例題の数列は、自然数の三乗の数列であるため、三乗の和の公式 $$\large{S_n = \left\{\frac{1}{2} n (n+1)\right\}^2}$$ に \(\large{n=8}\) を代入すると \begin{eqnarray} \large S_{8} &\large =&\large\left\{\frac{8}{2} (8+1)\right\}^2\\[0.7em] \large &\large =&\large 36^2\\[0.7em] \large &\large =&\large 1296\\[0.7em] \end{eqnarray} すなわち、例題の数列の和を \(\large{1296}\) と求めることができます。

【2】三乗の和の問題と解き方

本章では、三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
$$\large{ 5^3+6^3+7^3+ \cdots + 12^3}$$
問題(2)
次の数列の和を求めよ
$$\large{2^3+4^3+6^3+\cdots + (2n)^3}$$
問題(3)
次の数列の和を求めよ
$$\large{1^3+3^3+5^3+\cdots + (2n-1)^3}$$

問題1. 三乗の和

問題(1)
次の数列の和を求めよ
$$\large{5^3+6^3+7^3+ \cdots + 12^3}$$

【問題1の解答】
問題の数列の和は、 三乗の数列の和であり、三乗の和の公式 \begin{eqnarray} \large S_n &\large =&\large 1^3 + 2^3 + 3^3 + \cdots + n^3\\[0.7em] \large &\large =&\large \left\{\frac{1}{2} n (n+1)\right\}^2\\[0.7em] \end{eqnarray} から求めます。

問題の数列の和 \(\large{S}\) は、\(\large{12}\) の三乗までの和 \(\large{(S_{12})}\) から \(\large{4}\) の三乗までの和 \(\large{(S_4)}\) を引いて求めます。 $$\large{S = S_{12} - S_4}$$

まず、\(\large{1}\) の三乗から \(\large{12}\) の三乗までの和は \begin{eqnarray} \large S_{12} &\large =&\large \left\{\frac{12}{2} (12+1)\right\}^2\\[0.7em] \large &\large =&\large 78^2\\[0.7em] \large &\large =&\large 6084\\[0.7em] \end{eqnarray} と求められます。

次に、\(\large{1}\) の三乗から \(\large{4}\) の三乗までの和は \begin{eqnarray} \large S_{4} &\large =&\large \left\{\frac{4}{2} (4+1)\right\}^2\\[0.7em] \large &\large =&\large 10^2\\[0.7em] \large &\large =&\large 100\\[0.7em] \end{eqnarray} と求まられます。

すなわち、問題の三乗の和は \begin{eqnarray} \large S &\large =&\large S_{12}-S_4\\[0.7em] \large &\large =&\large 6084 - 100\\[0.7em] \large &\large =&\large 5984\\[0.7em] \end{eqnarray} と求められます。

問題2. 偶数の三乗の和

問題(2)
次の数列の和を求めよ
$$\large{2^3+4^3+6^3+\cdots + (2n)^3}$$

【問題2の解答】
問題の和は、 偶数の三乗の和であるため、三乗の和の公式 \begin{eqnarray} \large S_n &\large =&\large 1^3 + 2^3 + 3^3 + \cdots + n^3\\[0.7em] \large &\large =&\large \left\{\frac{1}{2} n (n+1)\right\}^2\\[0.7em] \end{eqnarray} が使えるように式を変形します。

問題の数列の和を変形すると、

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

と求められます。

問題3. 奇数の三乗の和

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

【問題2の解答】
問題の和は、 奇数の三乗の和であるため、三乗の和の公式 \begin{eqnarray} \large S_n &\large =&\large 1^3 + 2^3 + 3^3 + \cdots + n^3\\[0.7em] \large &\large =&\large \left\{\frac{1}{2} n (n+1)\right\}^2\\[0.7em] \end{eqnarray} が使えるように式を変形します。

問題の数列の和を変形すると、

\begin{eqnarray} \large \hspace{10pt}S_n &\large =&\large 1^3+3^3+5^3+\cdots + (2n-1)^3\\[0.8em] \large &\large =&\large (2\cdot 1-1)^3 + (2\cdot 2-1)^3 + (2\cdot 3-1)^3 +\cdots +(2\cdot n-1)^3\hspace{10pt}\\[0.8em] \large &\large =&\large 2^3 (1^3+2^3+ \cdots +n^3)-12(1^2+2^2 + \cdots +n^2)+6 (1+2+\cdots +n) -n\\[0.8em] \large &\large =&\large 2^3 \cdot \left\{\frac{1}{2} n (n+1)\right\}^2-12 \cdot \frac{1}{6}n(n+1)(2n+1)+6 \cdot \frac{1}{2} n (n+1) - n\\[0.8em] \large &\large =&\large 2\hspace{1pt}n^2 (n+1)^2-2n(n+1)(2n+1) + 3n (n+1) -n\\[0.8em] \large &\large =&\large n\hspace{1pt} \{2n (n+1)^2-2(n+1)(2n+1) + 3 (n+1) -1 \}\\[0.8em] \large &\large =&\large n\hspace{1pt}\{2n (n+1)^2 -4n^2-3n \}\\[0.8em] \large &\large =&\large n^2\hspace{1pt}\{ 2(n+1)^2 -4n-3 \}\\[0.8em] \large &\large =&\large n^2\hspace{1pt}(2n^2-1)\\[0.7em] \end{eqnarray}

と求められます。


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