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和の公式を帰納法で示す(1段足す)

📖 言葉で読む:数学的帰納法 →
和の公式を帰納法で示す(1段足す)全3問
① 考えてみよう

1+2+3+⋯+n1+2+3+\dots+n を一発で出す公式 n(n+1)/2n(n+1)/2。これがどんな nn でも成り立つことを、数学的帰納法=ドミノの考えで確かめたいんだ。まずは小さい段から始めるよ。

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  1. ① 考えてみよう
  2. 1

    1+2+3+⋯+n1+2+3+\dots+n を一発で出す公式 n(n+1)/2n(n+1)/2。これがどんな nn でも成り立つことを、数学的帰納法=ドミノの考えで確かめたいんだ。まずは小さい段から始めるよ。

  3. 2

    ドミノが全部倒れるには、うまい仕組みがいるよね。この公式が「すべての nn で成り立つ」と言い切るには、何を示せばいいと思う?

  4. ② 考え方
  5. 3

    まず1枚目のドミノ、n=1n=1 を確かめよう。左辺は 11 だけ。右辺の公式も 1×2÷2=11 \times 2 \div 2 = 1。ちゃんと成り立つね。

  6. 4

    n=3n=3 でも見ておこう。タイルは 1+2+3=61+2+3=6 個、公式でも 3×4÷2=63 \times 4 \div 2 = 6 でぴったり。でも1つずつ確かめてもきりがないよね。

  7. 5

    ここがドミノの一歩。「nn で成り立つ」と仮定して、次の n+1n+1 でも成り立つかを見るんだ。やることは、階段に1段(n+1n+1 個)を足すだけ。

  8. 6

    4段目(4個)を足してみよう。合計は 6+4=106+4=10。これは「前までの和」+「次の項(n+1n+1)」になっているのがポイントだよ。

  9. 7

    この 10、公式の形になってる?10=4×5÷210 = 4 \times 5 \div 2 で、nn を n+1=4n+1=4 にした (n+1)(n+2)/2(n+1)(n+2)/2 の形だね。式でも n(n+1)/2+(n+1)=(n+1)(n+2)/2n(n+1)/2+(n+1)=(n+1)(n+2)/2 とそろう。

  10. ③ 解答
  11. 8

    これで「nn で成り立てば n+1n+1 でも成り立つ」が言えた。あとはドミノと同じ。n=1n=1 から連鎖して、すべての nn で 1+⋯+n=n(n+1)/21+\dots+n=n(n+1)/2 が成り立つ!

  12. 9

    和の公式は、図で1段足すだけで帰納法の「n→n+1n\to n+1」が確かめられる。仮定の式に次の項を足して、同じ形に戻れば証明完了。これが使いどころだよ。

答案の書き方(記述例)

解き方がわかったら、次は答案に書く番。テストの解答用紙には、こんなふうに書けば伝わるよ。

すべての自然数 nn について 1+2+⋯+n=n(n+1)21 + 2 + \cdots + n = \frac{n(n + 1)}{2} ……(A) が成り立つことを、数学的帰納法で証明する。

(i) n=1n = 1 のとき、左辺は 11、右辺は 1×22=1\frac{1 \times 2}{2} = 1 なので、(A) は成り立つ。

(ii) n=kn = k のとき (A) が成り立つ、すなわち 1+2+⋯+k=k(k+1)21 + 2 + \cdots + k = \frac{k(k + 1)}{2} と仮定する。

n=k+1n = k + 1 のとき、(A) の左辺は、この仮定を使うと

1+2+⋯+k+(k+1)=k(k+1)2+(k+1)1 + 2 + \cdots + k + (k + 1) = \frac{k(k + 1)}{2} + (k + 1)

=k(k+1)+2(k+1)2=(k+1)(k+2)2= \frac{k(k + 1) + 2(k + 1)}{2} = \frac{(k + 1)(k + 2)}{2}

これは (A) の右辺で n=k+1n = k + 1 としたものに等しいので、n=k+1n = k + 1 のときも (A) は成り立つ。

(i)、(ii) より、すべての自然数 nn について (A) は成り立つ。

減点されやすいポイント

帰納法の答案は (i)(ii) と結びの一文がそろって1セットだよ。(ii) だけではスタートの1枚目が倒れる保証がなく、n=1,2,3n = 1, 2, 3 を確かめるだけでは「すべての nn」とは言えないね。(ii) では、仮定の式を「どこで使ったか」がわかるように書き、k(k+1)2+(k+1)\frac{k(k + 1)}{2} + (k + 1) を (k+1)(k + 1) でくくって右辺の形にそろえよう。

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