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1 つの分数を 2 つの差に割ると、まん中が全部消える

分数の和は、そのまま足すと通分の山になります。ところが 1 つの分数を 2 つの差に分けると、途中が次々に打ち消し合って両端だけが残る。

この分け方を部分分数分解、打ち消し合う和をテレスコープといいます[1][2]。望遠鏡を縮めるように、長い和が一気に短くなります。

打ち消しの様子

で書き下してみます。

が消えていきます。残るのは最初の と最後の だけ[1]

一般に、 の差の形に書ければ和は両端だけになります[1][2]

どの項が残るかを間違えやすいので、必ず最初の 2 項と最後の 2 項を書き出して確かめます。

分け方の見つけ方

をどう分けるか。 と置いて係数を決めます[3]

を入れると を入れると 。都合のよい値を代入して一気に決める手を、隠す方法ともいいます[3]

分母の差が のときは、次の形にまとまります。

が前に出るところを落としやすい。分母の差が でないときは、必ずこの係数を確かめます。

例題 1:基本形

を求めます。

で検算します。 で、公式の値と一致しました。

を大きくすると に近づきます。無限に足しても を超えません[1]

例題 2:分母の差が 2

を求めます。

差が 2 つ飛びなので、消え方も 1 つ飛ばしになります。前から 2 項、後ろから 2 項が残る。

飛ばす幅と、残る項の個数が一致します。差が なら両端に 項ずつ残る、と覚えておくと迷いません。

例題 3:奇数の積

を求めます。

分母の差は なので が前に出ます。

こちらは連続する項の差になっているので、残るのは両端 1 項ずつです。分母が飛んでいても、 について隣り合っていれば素直に消えます。

例題 4:分子が 1 でない場合

なら、定数 を外に出すだけです。

のように分子に が入るときは、分けてから考えます。

これは差ではなく和なので、打ち消しは起きません。テレスコープが使えるのは差の形に書けたときだけです。

例題 5:3 つの積

を求めます。

次の変形が使えます。

右辺を通分すると、分子が になって左辺に戻ります。

3 つの積でも、隣り合う 2 つの積の差に書けばテレスコープが効きます。

平方根の差

分数以外にも使えます。 は有理化すると差になります。

差の形に持ちこめるかどうかが勝負です。分母の有理化も、そのための手のひとつになります。

練習問題

の値はどれですか。

__RESULT__

です。 を入れても同じ値になります。

を分解した形として正しいものはどれですか。

__RESULT__

を通分すると分子が になります。もとに戻すには を掛けます。分母の差がそのまま係数の分母になります。

参考文献

Telescoping series - Wikipedia
Teleskopsumme - Wikipedia(ドイツ語)
Partial fraction decomposition - Wikipedia
分数の和を通分で押し切ると計算が重くなります。1/(k(k+1)) を 1/k と 1/(k+1) の差に分けると、隣どうしが順に打ち消し合って両端だけが残る。望遠鏡を縮めるようなこの仕組みを、消えていく様子を追いながら確かめます。分母の差が 2 のときに 1/2 が前へ出る理由、残る項が両端に何個ずつかの数え方、3 つの積や平方根の差まで例題で扱います。