並びが読めないときは差をとる|階差数列から一般項へ
数列の並びから規則が見えないとき、まず差をとります。
こうしてできる数列 を、 の階差数列といいます。もとの数列がでこぼこでも、差はきれいに並ぶことが多い。
の差は です。もとの並びより、差のほうがはるかに見やすくなりました。
差をとると段が下りる
差をとる操作は、多項式の次数を 1 つ下げます[1]。2 次式の数列なら、1 回差をとると 1 次式、もう 1 回で定数になる。
2 段目で がそろいました。もとの数列が の 2 次式である、という合図です。
微分と同じ役割をしています。差をとる操作は微分、あとで出てくる和をとる操作は積分にあたる[1]。
差から元に戻す
階差数列が分かったら、もとの数列に戻せます。 から出発して差を順に足していくだけです。
なぜ 個ぶんなのか。 から へ進むのに、 の 回ぶんの差を通るからです。
途中の項が次々に消え、両端だけが残る。この形をテレスコープといい、和の計算でくり返し使います[4]。

のときはこの式が使えません。 という和に意味がないためです。
だから求めた式に を代入して、 と一致するかを最後に確かめます。一致すれば「 で成り立つ」と書ける。一致しなければ、 の場合を別に書きます。
例題 1:差が等差数列
の一般項を求めます。
階差数列は なので です。
を入れると で、 と一致します。よって全部の で使えます。
念のため でも検算します。 となり、並びの 4 番目と合いました。
例題 2:差が等比数列
の一般項を求めます。
階差数列は で、公比 の等比数列なので です。
等比数列の和の公式を使いました。項数が 個であることに注意します。
のとき で一致。 でも となり合っています。
例題 3:2 回差をとる
の一般項を求めます。
差は で、そのまた差が 。1 段目の差が等差数列なので です。
で 、 で 。どちらも合いました。
2 段目で定数がそろったことと、答えが 2 次式になったことが対応しています[1]。
例題 4:差の形を見抜く
の一般項を求めます。
差は で、公比 の等比数列です。 とすると、例題 2 と同じ手順になります。
で 、 で 。合っています。
差をとって等差か等比になれば、この方法で必ず解けます。どちらでもないときは、さらに差をとるか、別の見方を探します。
差の段数と次数の対応
何段目でそろうかで、一般項の形が決まります。
| 1 段目が定数 | の 1 次式 |
| 2 段目が定数 | の 2 次式 |
| 3 段目が定数 | の 3 次式 |
| 1 段目が等比数列 | 指数を含む式 |
多項式なら、次数と同じ回数だけ差をとると定数になります[1]。逆に言えば、何段で定数になるかを見れば、答えの形が先に分かる。
答えの形が分かっていれば、係数を未知数と置いて連立方程式で決める手もあります。
練習問題
数列 の階差数列はどれですか。
階差数列を使って一般項を求めたあと、必ず確かめることはどれですか。
- 第 2 項が合うかどうか
- を代入して初項と一致するか
- 階差数列の初項が かどうか
- 一般項が整数になるか
公式が使えるのは のときだけです。 で一致すればすべての で使えると書けます。一致しないときは を別扱いにします。















隣どうしの差をとると 6−5=1、9−6=3、14−9=5、21−14=7 です。奇数が並びます。もとの数列は n の 2 次式になります。