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高校数学B 等差数列—初項と公差から一般項と和の式を組み立てる|武蔵野個別指導塾

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一般項の移動回数と和の項数を分け、末項から番号を逆算するときに正の整数の条件まで確かめます。

よくあるのは、定期テスト前に和の公式を使った高校生が、足す項数をnではなくn-1としてしまう場面です。第1項から第2項へは1回、第3項へは2回進みます。この数え方は和を求めるときの項数nとは違います。両者を同じものとして扱うと、一般項も末項もずれてしまいます。初項、公差、項の番号を対応させ、計算の途中でどの数を数えているかを確かめましょう。

要点(結論から)

  • 第n項までの公差の加算はn-1回です。
  • 和は項数×(初項+末項)/2です。
  • 項数を逆算したら正の整数か確かめます。

問われ方を見分ける

等差数列では、隣り合う項の差が一定です。まず、初項と公差から指定された項や一般項を求める型があります。例えば初項が負でも、公差が正なら項は進むたびに増えます。符号を含めて差を取ることが出発点です。

次に、初項からある項までの和を求める型があります。初項と末項の平均に項数をかける考え方を使うと、項を一つずつ足さなくても計算できます。末項が与えられていない場合は、先に一般項で求めます。

もう一つは、末項や和の条件から項数を逆算する型です。項数は正の整数なので、方程式の解をそのまま採用せず、元の条件に戻します。数列の一部だけを足すときは、両端を含む個数にも注意します。ここでは等差数列を扱い、別の規則で増減する数列には広げません。

項と間隔を別々に数える

初項をa、公差をdとすると、第1項はa、第2項はa+d、第3項はa+2dです。初項から第n項へ進む間隔はn-1個ですから、一般項は aₙ=a+(n-1)d です。nは項の番号を表す正の整数です。図1のように、4つの項の間には3つの間隔があります。

図1 初項から第4項までの項と間隔の対応

図1では各間隔にdを1回ずつ加えます。第4項はa+3dであり、4dではありません。一方、初項から第4項までを足すなら項数は4です。間隔の個数と、足される項の個数を別々に指でたどると違いが見えます。

公差は後の項から前の項を引いて求めます。例えば 8, 5, 2, -1, … なら、5-8=-3なので公差は-3です。差が負でも等差数列です。第1項から第n項までの和をSₙとすると、末項をlとして Sₙ=n(a+l)/2 と書けます。末項に一般項を代入すれば Sₙ=n{2a+(n-1)d}/2 です。

この式は、前から並べた和と後ろから並べた和を足して作れます。対応する各組の和は初項と末項の和に等しく、組はn個です。元の和を2回数えているため、最後に2で割ります。nが奇数でも中央の項は自分自身と組になり、同じ説明が使えます。

基本例題:項を求めてから足す

初項が4、公差が3の等差数列について、第8項と初項から第8項までの和を求めてください。答えは整数で表します。

まず一般項にa=4、d=3を代入します。第n項に着くまでの移動はn-1回なので、次のようになります。

aₙ=4+(n-1)×3

=4+3n-3

=3n+1

第8項ではnに8を代入します。第1項に3を7回加えることと同じです。

a₈=3×8+1=25

図2のように、初項4と末項25を組にすると和は29です。前後を入れ替えた2つの和を重ねたと考えると、この組が8個できます。

図2 初項4から第8項までを両端で組にする図

したがって、求める和S₈は次のとおりです。

2S₈=8×(4+25)

=8×29=232

S₈=232/2=116

答えは第8項が25、和が116です。実際の項は4, 7, 10, 13, 16, 19, 22, 25です。両端から組にすると29が4組あるので、29×4=116と元の並びでも確かめられます。第8項に着くまでの公差は7回、足した項は8個です。

別の式からも計算できます。S₈=8{2×4+(8-1)×3}/2に代入すると、かっこの中は8+21=29です。末項を先に求める方法と同じ値になります。式を覚えていても、末項に8回公差を加えると誤るので、n-1の意味をその都度確かめます。

末項から項数を探す

初項が31、公差が-2の等差数列で、初項からある項までの和が160です。末項の番号とその値を求めてください。答えは整数で表します。

末項の番号をnとします。一般項は aₙ=31-2(n-1)=33-2n です。和の式に代入し、条件を式にします。

Sₙ=n(31+33-2n)/2

=n(32-n)

これが160なので、n(32-n)=160です。整理すると n²-32n+160=0、したがって (n-8)(n-20)=0 です。n=8またはn=20となり、どちらも正の整数です。

n=8なら末項は33-2×8=17、n=20なら末項は33-2×20=-7です。前者は8×(31+17)/2=192となり、160ではありません。ここで式の整理をもう一度見ると、n(64-2n)/2はn(32-n)であり、n=8では192です。つまり因数分解が誤りです。

正しくは n²-32n+160=0 を平方完成して (n-16)²=96 とします。解は 16±4√6 で、どちらも整数ではありません。したがって、この条件を満たす項はありません。答えは「該当する項なし」です。和の方程式が解けても、番号が正の整数でなければ採用できないところが分かれ目です。

公差が負のときは、途中まで正の項を足して和が増えた後、負の項を足すことで和が減る場合があります。そのため、条件によっては異なる2つの項数が同じ和を与えることもあります。式を解いた後は、両方の番号を検討し、末項と和を元の条件に戻して確認します。解が整数にならない場合を見落とさないことも、項数の問題の一部です。

ずれた答えを直す

初項4、公差3の数列の第8項を 4+8×3=28 とする誤答を考えます。原因は、第8項という番号を公差を加える回数と取り違えたことです。図3のように初項を出発点として数え直すと、第8項までの間隔は7個です。

図3 第8項へ進む7回の間隔と誤答の比較

図3の正しい経路では 4+7×3=25 です。誤った28はさらに1回進んだ第9項です。n=1を一般項に代入し、初項4に戻るかも試します。4+3nではn=1のとき7になり、初項に一致しません。

和でも似た取り違えが起こります。第8項までの和を求めるとき、間隔が7個だからといって平均に7をかけると、8個の項のうち1個分を数え損ねます。一般項では間隔、和では足す項を数えると書き分けてください。

また、第3項から第8項までは8-3=5個ではなく、両端を含めて8-3+1=6個です。まず第3項を1個として数え始めます。項数を誤ると、両端の値が正しくても和は合いません。短い範囲を実際に並べて、式の個数と照らします。

条件を式に移すときの確認

初項や公差が直接書かれていない場合は、与えられた項同士の間隔から始めます。例えば第2項が6、第5項が18なら、2つの項の間には3つの間隔があります。差は18-6=12なので、公差は12/3=4です。第2項は初項に公差を1回加えた値ですから、初項は6-4=2です。一般項は2+4(n-1)となります。

ここで第5項に戻すと2+4×4=18です。第2項も2+4=6となり、両方の条件を満たします。差を項番号の大きいほうから小さいほうへ取るなら、値の差も同じ向きに取ります。たとえば6-18を使うなら番号の差も2-5とすれば、公差は(-12)/(-3)=4です。

末項が指定される問題では、まずその値が本当に数列の項か確かめます。初項10、公差3の数列に20が現れると考えると、10+3(n-1)=20からn-1=10/3です。nは整数にならず、20はこの数列の項ではありません。20を末項として和の式に入れる前に、この段階で条件を点検します。

同じ数列で末項が22なら、10+3(n-1)=22よりn=5です。10, 13, 16, 19, 22と並べれば5個あり、和は5×(10+22)/2=80です。最後の値だけでなく番号と個数も確認することで、和の式に入れる数字の意味がはっきりします。

初項からではない和は、求める範囲を新しい有限の並びと見ても計算できます。その範囲の最初と最後を求め、間隔の個数に1を足して項数にします。あるいは初項から最後までの和から、範囲の直前までの和を引けます。後者では先頭の項を消さないよう、引く和の末尾を1つ前の番号にします。

和の式の見通し

初項と末項の平均を使う式は、増加する場合も減少する場合も成り立ちます。初項が末項より大きくても、両端の和は同じ組として対応するからです。負の項を含む場合も符号ごと加えます。平均が負なら和も負になり、初項と末項の和が0なら全体の和も0です。

項数が奇数なら中央の項は両端の平均です。前後の組を作った後に中央が残りますが、2倍した和では中央も2回現れます。したがって偶数のときと同じ和の式を使えます。公式に入れる前に、何から何までを足しているのかを線で囲んでおくと、範囲の取り違えを防げます。

公差が0の場合も同じ考え方です。各項は初項と等しく、一般項に公差0を代入すると常にaです。和の式はn(a+a)/2=naとなり、同じ数をn個足した結果と一致します。増える数列の図だけで覚えず、減る場合や変わらない場合にも式の意味を戻してみましょう。

項数を求める式に複数の候補が出た場合も、それぞれを別々に調べます。負の数や小数は項の番号として使えません。正の整数が残っても、計算途中の符号や因数分解に誤りがないよう、その番号で末項を求め直し、元の和や指定された値に戻します。候補が残らなければ、条件に合う項がないと答えます。

手を動かす問題

次の問題は、それぞれ独立した等差数列です。答えは指定された形で表してください。

  1. 初項-5、公差4の数列の一般項と第12項を求めてください。一般項はnの式、第12項は整数で表します。
  2. 初項7、公差2の数列の初項から第15項までの和を求めてください。答えは整数で表します。
  3. 初項50、公差-3の数列で、項の値が-4となるのは第何項ですか。番号は整数で表します。
  4. 初項2、公差5の数列の第4項から第10項までの和を求めてください。答えは整数で表します。

答えと考え方

  1. aₙ=-5+4(n-1)=4n-9、a₁₂=4×12-9=39です。第1項は4-9=-5で、隣の項との差は4です。第12項は初項から11回進むので、-5+4×11=39とも確認できます。

  2. 第15項は7+14×2=35です。項数は15個なので、和は15×(7+35)/2=315です。逆順と組にしたとき各組の和は42であり、15組の半分が315になります。末項35も初項から14回増やして得られます。

  3. 第n項は50-3(n-1)です。これが-4なので、50-3(n-1)=-4、3(n-1)=54、n-1=18、n=19です。19は正の整数です。元の数列へ戻すと50-3×18=-4となり、条件に合います。隣の第18項は-1なので、そこで止めないようにします。

  4. 第4項は2+3×5=17、第10項は2+9×5=47です。両端を含む項数は10-4+1=7個ですから、和は7×(17+47)/2=224です。実際に17, 22, 27, 32, 37, 42, 47と並び、両端の組64が3組と中央の32を足して224です。

練習の後は、式の各数字が初項、間隔、項数のどれに当たるかを言葉で説明してみます。計算結果が合っていても、偶然ずれが相殺されることがあります。与えられた条件をもう一度読むと、その取り違えを見つけやすくなります。

要点のメモ

どこで止まったかを確かめる

一般項を書き始められないときは、最初の3項を並べ、それぞれに公差が何回加わったかを書き込んでみます。式は書けるのに和が合わないときは、末項の番号と実際に足す項数を別の欄に記します。公差が負のときは、引き算の符号が途中で変わっていないかも確認します。

個別指導で確かめるなら、答えの数字だけでなく、初項からの移動を数えた箇所と和の式の項数を指して説明できるかを見ます。逆算では、候補を元の条件へ戻すところまで追います。項と間隔の区別が、等差数列の式を支えます。

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