無限等比級数とは？基本からわかりやすく解説！

無限、という概念は数学上、意外に厄介です。文字の意味だけをとらえれば、「限りが無いこと」ということになりますが、数学では1次の無限大、2次の無限大など無限大の程度の違いもあり、実際の取り扱いは文脈によるところが大きでしょう。単に「とても大きい数」という意味で扱うこともあります。無限等比級数は、そんな無限を扱います。この記事では、無限等比級数についてまとめます。

		
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1.  無限等比級数の基礎①等比数列

無限等比級数を扱う前に、数学Bで扱った基礎的な等比数列について復習しておきましょう。

※等比数列に関する記事はこちらからご覧ください。

等比数列とは、文字通り「比が等しい数列」です。

たとえば、以下のような数列 a_nは等比数列です。

a_n ＝ 3,6,12,24,48,96,192,………

多くの場合、等比数列を扱う場合には「無限数列」を設定します。

数列には有限数列と無限数列があり、項の個数に限りがあるものを有限数列、項の数に限りが無いものを無限数列といいます。

数列 a_nの法則はすぐにわかると思います。

前の項に2をかけたら、次の項になっていますね。

つまり、「前の項と次の項の比が常に2になっているような数列」なので、等比数列といいます。

このとき、 a_nは「初項が3で、公比が2であるような等比数列である」といいます。

等比数列を考えるときには、この「初項」と「公比」2つさえわかれば、等比数列がただ一つに定まります。

つまり、その等比数列に関する式を2つたてて、連立方程式を解けば、等比数列の一般項が求まるということになります。

初項が a 、公比が r であるような等比数列 an の一般項は

a_n =ar^n-1

です。

2.  無限等比級数の基礎②等比数列の和

数学Bで数列を学習したとき、非常に多くの公式があり苦労したのではないでしょうか。

しかし、数列の公式は（最終的には頭に入れなければなりませんが）、覚えるというより、なぜそうなっているかを理解する方が大切です。

Σを使った和の公式を求めるのは骨が折れますが、その他の数列の公式を導くことは、そう難しくありません。

等比数列の和の公式も、簡単に導くことができます。

等比数列の一般項は

a_n =ar^n-1

です。

つまり、等比数列 an の n 項目までを書き並べて表すと以下のようになります。

a_n=a, ar, ar², ar³, ar⁴……… ar^n-1

等比数列 a_nの n 項目までの和を S_nとすると

S_n=a + ar + ar² + ar³ + ar⁴ +⋯……+ ar^n-1

となります。この S_n を求めたい!

というわけです。

S_nに公比 r をかけます。

rS_n=ar + ar² + ar³ + ar⁴ + ar⁵ +⋯……+ ar^n-1 + arⁿ

ここで、S_n と rS_n に共通する項が多く見られるのに気づくでしょうか。

S_n-rS_nを考えると、真ん中の項がごっそり消えてくれます。

というように計算することで、等比数列の和の公式を求めることができます（ただし公比は1でないとします）。

等比数列の一般項が「r^n-1」なのに対して、和の公式で使っているのが「rⁿ」ですので、苦労された方もいるのではないでしょうか。

このような理屈がわかっていれば、迷うことはありません。

等比数列の和の公式を求める際には、「公比 r をかけている」ので、和の公式では rⁿとなるのです。

等比数列について詳しく知りたい方はこちら！！

3.  無限等比級数

ここからは無限級数の説明に入っていきます。

さて等比数列の和では、第1項から第 n 項までの和を考えました。

つまり有限な等比数列の和です。

無限数列の和を「無限級数」といいます。記号を使って表すと、

となります。先の

S_n=a + ar + ar² + ar³ + ar⁴ +⋯……+ ar^n-1

は無限級数の部分和といいます。

さて、ここで考えてみましょう。一番初めの数列 a_n、

a_n ＝ 3,6,12,24,48,96,192,………

の部分和 S_nです。

S₁=3

S₂=3+6=9

S₃=3+6+12=21

S₄=3+6+12+24=45

このまま続けていくと、どんどん大きな数になっていくはずです。つまり、どこかの値に近づいていくことがありません。

もし部分和が、ある値に限りなく近づいていくことを「収束する」といいます。

収束しないことを「発散する」といいます（発散には広義には振動も含まれます）。

そして、部分和が発散するとき、「無限級数が発散する」といいます。

一部がどんどん大きくなっていくなら、当然全体もどんどん大きくなっていきますよね。

ですから、この無限等比級数は発散します。

では、無限等比級数が収束する場合というのは、どのような場合でしょうか。

結論から言えば、無限等比級数に限らず、無限級数については以下のことがわかっています

対偶をとると

となります。

すなわち、無限級数が収束するかどうかは、元の数列 a_n による、ということです。

ただし　　　　　　　　　　　　　　　　　

ことに気を付けましょう。

無限等比級数に話を戻しましょう。等比数列の和は

でした。このとき、元の数列 a_n が発散するか0に収束するかは、公比 r に依存しているのがわかるでしょうか。

たとえば

a_n＝ 3,6,12,24,48,96,192,………

のような、公比が2の等比数列であれば、a_nは発散しますよね。

一方

のような、公比が 1/2 の数列であれば、元の数列の項はどんどん0に近づいていきます。つまり、a_nは0に収束します。

無限等比級数に限っては、部分和がわかっています。

この数式を眺めてみて、収束や発散にかかわりそうな部分はどこでしょう。

rⁿ であることがわかりますか。

もしも rⁿ が発散すれば、S_n全体も発散します。

一方、rⁿが収束すれば、S_nは収束します。

たとえば、rⁿが0に収束すれば、

となり、n に依存しない値になりますね。

では、その rⁿの収束・発散はどのようにして決まるでしょう。

もちろん、公比 r の値によって決まります。

先も申し上げた通り、公比が2なら発散して、公比が 1/2 なら収束します。

もっと言えば、

① -1 < r < 1 であれば limn→∞rⁿ = 0

② r ≦ -1, 1 < r であれば  limn→∞rⁿ  は発散する

③ r = 1 であれば  limn→∞rⁿ = 1

となりますね。

ではそれぞれの場合 S_nはどうなりますか。

①の場合は先にも申し上げました。

です。

②の場合

から、発散します。

③の場合、すなわち r = 1 であれば、数列 a_nは

a_n  = a, a, a, a, a, a…………

となります。この第 n 項までの部分和 Sn は

S_n = na

です。これは n が無限大になれば発散します。

①～③より、無限等比級数の収束・発散に関して以下のことが言えます。

a ≠ 0 のとき、無限等比級数

a+ar+ar²+ ar³+ar⁴+⋯……+ ar^n-1+⋯……

の収束発散は、次のようになる

・-1< r <1 のとき、収束して、その和は 、

 である。

・r<-1 ,1<r のとき、発散する。

無限級数の性質のまとめ

4.  例題

無限等比級数

が収束するような実数 ｘ の値の範囲を求めよ。ただし、x ≠ -1 とする。

解答・解説

まず、この無限等比級数のもとになっている数列について考えます。

初項が x、公比が 

の無限等比級数です。

無限等比級数が収束するための条件は、公比が－１から１までの数であることでしたから、求める条件は

から

x<-2, 0<x

となります。

ただし、無限等比級数が収束するための条件は、実はもう一つ隠されています。

それは「初項が0である」ことです。

公比がいくらであっても、初項が0なら、元の数列は0に収束するので、無限等比級数も収束します。

ですから、求める条件は、初項 x = 0 という条件も含めて

x<-2, 0≦x

が答えになります。

この初項の条件を忘れる人が多いので、初項が文字で表されているときには注意しておきましょう。

5.  無限等比級数のまとめ

最後までご覧くださってありがとうございました。この記事では無限等比級数についてまとめました。

無限等比級数は、言葉の定義があいまいな受験生が多いですが、あいまいでもなんとなく解けてしまう分野でもあります。

とはいえ、数学をはじめとする理系分野で重要なのは「定義」です。

しっかり言葉の意味を頭に入れておきましょう。

それさえできていれば、自然と導かれる公式も多いです。