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連続した数の総和を一瞬で解いてドヤるあれの図形的(?)証明

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導入

総和の公式(仮)
$\frac{n(n+1)}{2}$

という公式を知っていますか?
これは1からnまでの総和を計算するような公式です
今回はこの公式の三角数を使った図形的(っぽい)な面白い導出を紹介していきます。

導出の流れと準備

公式導出のおおまかな流れは以下のようになります。

1.連続する数の総和を三角数で表す
2.三角数のピラミッド2つで正方形を作る
3.正方形の面積(点の個数)を求める
4.三角数のピラミッド2つ分の個数を求める(step3から対角線を引いたもの)
5.2で割り1つ分にする
まず皆さんにやっていただきたいのは連続する数の総和を三角数のピラミッドとして捉える事です。
1からnまでの連続した数を三角数としてみる(画像はn=4の時)
このような具合ですね、さて、これを見て気づくことがあると思います。
この三角数のピラミッドは頂点から1,2,3,4と増えていっています、そしてそれらの総和である
10はこのピラミッドにおける点の個数と一致してることに気が付くでしょう。
このような見方ができてしまえばあとは簡単です。四角形にしてみた
これは先ほどの三角数をもう1つ複製し、向きを変えて
形を整えてから、対角線を付け足したものです、イメージしていただけましたでしょうか?
ここで大事なのは対角線の長さとここに今ある点の個数です。
一つずつ見ていきましょう、といっても全く難しくはなく、対角線の長さは
単純に(n+1)ですし、点の個数は正方形(画像が悪いのそう見えないかもです、すいません)
の面積公式より(n+1)(n+1)で計算できます。

導出

さて、結局僕たちがやりたいのはただ
三角数のピラミッドを任意の数(n)まで拡張した時の点の個数
を求めるということです、これは前回学んだことを使うとすぐできます。
まず先ほどの正方形の全体の個数は(n+1)(n+1)で求まります、そこから対角線を取り除きましょう、
対角線の長さは(n+1)ですね、よって1からnまで拡張したピラミッド2つ分の点の個数は
{(n+1)(n+1)}-(n+1)となりますそうして最終的に欲しいのはピラミッド1つ分の点の個数なので
2で割ってから簡単にして$\frac{n(n+1)}{2}$が求まるというわけです。
さて、文字ばかりで疲れましたね、以下に全体の流れを書きますのでご覧ください。
導出の流れ

おわり

お疲れさまでした、いかがでしたでしょうか?
個人的にはかなり面白い証明だと思います。
今回はこれで以上になります、ありがとうございました。

投稿日:20231212
更新日:20231212

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