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等差数列とうさすうれつ等比数列とうひすうれつ

date2026-07-14document_iddoc_2e609f0db64f8a2e725977a907f28c82description等差数列と等比数列を漸化式で定義し、一般項と有限和を端点・例外を含めて証明する二言語講義。prerequisites数列の基本type講義content_typelecturestatusactiverelateddata/lecture/math/sequence/sequences-portal.lecture.n.md / data/lecture/math/sequence/sequences-and-recurrences.lecture.n.md / data/lecture/math/sequence/first-order-recurrences.lecture.n.md / data/lecture/math/sequence/limits-of-sequences.lecture.n.md / data/lecture/math/sequence/series-basics.lecture.n.md
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1導入どうにゅう

数列すうれつ変化へんか加法的かほうてき一定量いっていりょう記述きじゅつするか、乗法的じょうほうてき一定倍率いっていばいりつ記述きじゅつするかを判別はんべつすることが本講義ほんこうぎ主題しゅだいである。定義ていぎ隣接項りんせつこう漸化式ぜんかしきとしてあたえ、一般項いっぱんこう有限和ゆうげんわ証明しょうめいする。

2定義ていぎ

実数列じっすうれつ (an)n1考察こうさつする。ある定数ていすう dR存在そんざいし、すべての n1 について

an+1=an+d

成立せいりつするとき、(an)等差数列とうさすうれつarithmetic sequenced公差こうさcommon differenceという。d=0定数列ていすうれつふくむ。

ある定数ていすう rR存在そんざいし、すべての n1 について

an+1=ran

成立せいりつするとき、(an)等比数列とうひすうれつgeometric sequencer公比こうひcommon ratioという。この定義ていぎa1=0零列れいれつふくむ。零列れいれつでは任意にんいr漸化式ぜんかしきたすため、公比こうひ一意いちとはかぎらない。

3一般項いっぱんこう

3.1等差数列とうさすうれつ

すべての n1 について

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]an=a1+(n-1)d

である。n=1 では右辺うへんa1 である。n2 では、k=1,,n-1たいする ak+1-ak=d総和そうわすると、

an-a1=k=1n-1(ak+1-ak)=(n-1)d

となる。中央ちゅうおう総和そうわ中間項ちゅうかんこう相殺そうさいする望遠和ぼうえんわであるため、結論けつろんる。

3.2等比数列とうひすうれつ

すべての n1 について

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]an=a1rn-1

である。n=1 では r0=1 により成立せいりつする。an=a1rn-1仮定かていすると、an+1=ran=a1rn であるため、数学的帰納法すうがくてききのうほうにより成立せいりつする。この証明しょうめいa1=0 または r=0 でも除算じょざん使用しようせずに成立せいりつする。

4有限和ゆうげんわ

1mN とし、

Sm,N:=n=mNan

定義ていぎする。項数こうすうN-m+1 である。

4.1等差数列とうさすうれつ有限和ゆうげんわ

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]Sm,N=N-m+12(am+aN)

である。実際じっさい順序じゅんじょ反転はんてんした同一どういつ加算かさんすると、

2Sm,N=j=0N-m(am+j+aN-j).

等差性とうさせいにより各括弧かくかっこam+aN であり、括弧かっこN-m+1 あるため公式こうしきる。m=N でも右辺うへんam となり、端点たんてんふくむ。

とくm=1 では

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]n=1Nan=N2{2a1+(N-1)d}=N2(a1+aN).

4.2等比数列とうひすうれつ有限和ゆうげんわ

r1場合ばあい

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]Sm,N=am1-rN-m+11-r

である。Sm,N=am+amr++amrN-mrSm,Nると、

(1-r)Sm,N=am-amrN-m+1

であり、1-r0じょして結論けつろんる。m=N でも右辺うへんam である。r=1場合ばあいはこの除算じょざん許容きょようされず、全項ぜんこうam であるため、べつ

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]Sm,N=(N-m+1)am

となる。両公式りょうこうしきam=0ふくむ。

5による判定はんてい

  • すべての n1 について an+1-an=d同一どういつ定数ていすうなら、定義ていぎにより等差数列とうさすうれつである。
  • すべての n1 について an0 であり、an+1/an=r同一どういつ定数ていすうなら、an+1=ran であるため等比数列とうひすうれつである。
  • による判定はんてい分母ぶんぼ anれい箇所かしょでは適用てきようできない。零項れいこうふく可能性かのうせいがある場合ばあいは、除算じょざんせずに単一たんいつ定数ていすう r について an+1=ran直接検査ちょくせつけんさする。
  • 有限個ゆうげんこ提示項ていじこうまたは一致いっちしても、未提示みていじ全項ぜんこうについて同一どういつ規則きそく保証ほしょうされないかぎり、無限数列むげんすうれつ判定はんていにはならない。

たとえば 2,5,8,11,公差こうさ 3an=3n-1 である。5,10,20,40,非零項ひれいこう2an=5·2n-1 である。一方いっぽう0,0,0,等比数列とうひすうれつであるが、0/0定義ていぎされないためによる判定はんてい使用しようできない。

6構造的解釈こうぞうてきかいしゃく

等差数列とうさすうれつ一般項いっぱんこう a1+(n-1)d添字そえじ n一次式いちじしきであり、アフィン関数かんすう離散的対応物りさんてきたいおうぶつである。r>0等比数列とうひすうれつは、指数型関数しすうがたかんすう xa1rx-1整数点せいすうてんにおけるあたい対応たいおうする。r<0 かつ a10 では符号ふごう交替こうたいし、r=0 では初項しょこうあとれいとなるため、この対応たいおうとは区別くべつする。また、一次漸化式いちじぜんかしき an+1=pan+q は、p=1 なら等差数列とうさすうれつとなり、p1 なら平衡点へいこうてんからの偏差へんさ等比数列とうひすうれつとなる。

7適用範囲てきようはんい

本講義ほんこうぎ有限和ゆうげんわ有限個ゆうげんここうたいする恒等式こうとうしきであり、収束条件しゅうそくじょうけんようしない。無限等比級数むげんとうひきゅうすうには別途べっと |r|<1 とう条件じょうけん必要ひつようである。また、公差こうさまたは公比こうひ添字そえじ依存いぞんする数列すうれつには、ここでの公式こうしき直接適用ちょくせつてきようできない。

8基本公式きほんこうしき

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]an+1=an+dan=a1+(n-1)d
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]an+1=ranan=a1rn-1
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]n=mNan=N-m+12(am+aN)(等差)
\boxed{\sum_{n=m}^{N}a_n=\begin{cases}a_m\dfrac{1-r^{N-m+1}}{1-r},&r\ne1,\\(N-m+1)a_m,&r=1\end{cases}\quad\text{(等比)}}

9要約ようやく

  • 等差数列とうさすうれつ一定量いっていりょう加算かさん等比数列とうひすうれつ一定倍率いっていばいりつ乗算じょうざんによって定義ていぎされる。
  • 一般項いっぱんこう有限和ゆうげんわでは初項しょこう終項しゅうこう項数こうすう明示めいじし、等比和とうひわでは r=1分離ぶんりする。
  • による判定はんていには分母ぶんぼ非零性ひれいせい必要ひつようであり、零項れいこうふく場合ばあい漸化式ぜんかしき直接検査ちょくせつけんさする。

10関連講義かんれんこうぎ

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Arithmetic and Geometric Sequences

1Introduction

The central task of this lecture is to distinguish additive change by a constant amount from multiplicative change by a constant factor. We define both classes by recurrences between adjacent terms and prove their general-term and finite-sum formulas.

2Definitions

Consider a real sequence (an)n1. It is an {arithmetic sequence} if there is a constant dR such that

an+1=an+d

for every n1. The number d is its {common difference}. This definition includes constant sequences, for which d=0.

It is a {geometric sequence} if there is a constant rR such that

an+1=ran

for every n1. The number r is a {common ratio}. This definition includes the zero sequence arising from a1=0. For the zero sequence, every r satisfies the recurrence, so the common ratio need not be unique.

3General Terms

3.1Arithmetic Sequences

For every n1,

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]an=a1+(n-1)d.

At n=1, the right-hand side is a1. For n2, sum ak+1-ak=d over k=1,,n-1:

an-a1=k=1n-1(ak+1-ak)=(n-1)d.

The sum in the middle telescopes because its intermediate terms cancel, proving the formula.

3.2Geometric Sequences

For every n1,

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]an=a1rn-1.

At n=1, this follows from r0=1. If an=a1rn-1, then an+1=ran=a1rn; mathematical induction proves the formula. This proof uses no division and remains valid when a1=0 or r=0.

4Finite Sums

For 1mN, define

Sm,N:=n=mNan.

There are N-m+1 terms.

4.1Finite Arithmetic Sums

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]Sm,N=N-m+12(am+aN).

Add the same sum written in reverse order:

2Sm,N=j=0N-m(am+j+aN-j).

The arithmetic property makes every parenthesis equal to am+aN, and there are N-m+1 parentheses. This proves the formula, including the endpoint case m=N, where it gives am.

In particular, for m=1,

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]n=1Nan=N2{2a1+(N-1)d}=N2(a1+aN).

4.2Finite Geometric Sums

If r1, then

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]Sm,N=am1-rN-m+11-r.

Write Sm,N=am+amr++amrN-m and subtract rSm,N to obtain

(1-r)Sm,N=am-amrN-m+1.

Division by 1-r0 proves the formula, including m=N. If r=1, that division is invalid and every term equals am, so instead

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]Sm,N=(N-m+1)am.

Both formulas include am=0.

5Tests by Differences and Ratios

  • If an+1-an=d is the same constant for every n1, the sequence is arithmetic by definition.
  • If an0 for every n1 and an+1/an=r is the same constant, then an+1=ran, so the sequence is geometric.
  • A ratio test cannot be applied where its denominator an is zero. When zero terms may occur, test an+1=ran directly for a single constant r, without division.
  • Agreement among finitely many displayed differences or ratios does not classify an infinite sequence unless the same rule is guaranteed for every unshown term.

For example, 2,5,8,11, has common difference 3 and an=3n-1. The nonzero sequence 5,10,20,40, has ratio 2 and an=5·2n-1. By contrast, 0,0,0, is geometric, but the ratio test is unavailable because 0/0 is undefined.

6Structural Interpretation

The arithmetic general term a1+(n-1)d is affine in the index and is a discrete counterpart of an affine function. When r>0, a geometric sequence consists of the values of the exponential-form function xa1rx-1 at integer points. When r<0 and a10, its signs alternate, while r=0 makes every term after the first zero, so these cases must be distinguished from that correspondence. Moreover, a first-order recurrence an+1=pan+q is arithmetic when p=1; when p1, its deviation from an equilibrium point is geometric.

7Scope

The finite-sum identities in this lecture concern finitely many terms and require no convergence assumption. Summing an infinite geometric series requires additional conditions such as |r|<1. The formulas here do not apply directly when the difference or multiplier depends on the index.

8Basic Formulas

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]an+1=an+dan=a1+(n-1)d
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]an+1=ranan=a1rn-1
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]n=mNan=N-m+12(am+aN)arithmetic)[PARSE ERROR: Undefined("RBrace")]
\boxed{\sum_{n=m}^{N}a_n=\begin{cases}a_m\dfrac{1-r^{N-m+1}}{1-r},&r\ne1,\\(N-m+1)a_m,&r=1\end{cases}\quad\text{(geometric)}}

9Summary

  • Arithmetic sequences are defined by adding a constant amount; geometric sequences are defined by multiplying by a constant factor.
  • General-term and finite-sum formulas must track the first term, last term, and number of terms; a geometric sum must treat r=1 separately.
  • A ratio test requires nonzero denominators. When zero terms occur, test the recurrence directly.

10Related Lectures

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