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articles3/66.book
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title 等比数列の和 import 0-pa formel /common/default thmel /common/zf option review quick:true;
section 主定理 word ap txt \(s(n)\) を初項 \(a\)、公比 \(r\) の等比数列の最初の \(n\) 項の和 \(a + ar + \cdots + ar^{n-1}\) とします。 txt ここでは \(s\) を \(s(0) = 0\) と漸化式 \(s(i+1) = s(i) + ar^i\) を満たす関数として仮定します(\(a\)・\(r\) は自然数)。そのような \(s\) が存在することは示しません。したがって主定理は「そのような \(s\) があれば」という条件付きの形です(\(s\) が無ければ何も言っていません)。 txt 自然数には引き算が無いので、\((r-1)\,s(n) = a(r^n - 1)\) を両辺に \(s(n) + a\) を足した形 \(r\,s(n) + a = s(n) + ar^n\) で述べます(\(r = 1\) のときは \(s(n) = na\) を言わない点に注意)。 txt 証明は \(n\) についての帰納法です。\(n = 0\) では両辺とも \(a\)。\(n\) から \(n+1\) へは \(r\,s(n+1) + a = (r\,s(n) + a) + ar^{n+1} = s(n) + ar^n + ar^{n+1} = s(n+1) + ar^{n+1}\)。 thm `\\{ And [ a ; r col ∈ 𝕄 ] \\ s ap (0) = 0 \\ [ ∀ i ∈ 𝕄 . s ap (i suc) = s ap (i) + a ⋅ r ↑ i ] \\} and n ∈ 𝕄 ⟹ r ⋅ s ap (n) + a = s ap (n) + a ⋅ r ↑ n` ◀ 𝕄0s , IND𝕄 , +𝕄 , *𝕄 , ↑𝕄 , 1. prf hy1 <- `[ |a ; |r col ∈ 𝕄 ]` ; hy0 <- `|s ap (0) = 0` ; hyS <- `[ ∀ i ∈ 𝕄 . |s ap (i suc) = |s ap (i) + |a ⋅ |r ↑ i ]` ; L∈ <- `n ∈ 𝕄 ⟹ |s ap (n) ∈ 𝕄` -| IND𝕄[C_:=`\{ cls n | |s ap (n) ∈ 𝕄 \}`] , hy0 , hyS , hy1 , 𝕄0s , +∈𝕄 , ⋅∈𝕄 , ↑∈𝕄 v; Lb <- `|r ⋅ |s ap (0) + |a = |s ap (0) + |a ⋅ |r ↑ 0` -| hy0 , hy1 , ↑𝕄 , *𝕄 , L0+ , L⋅1 , +𝕄 , 𝕄0s p; hyM <- `|m ∈ 𝕄` ; hyI <- `|r ⋅ |s ap (|m) + |a = |s ap (|m) + |a ⋅ |r ↑ |m` ; F1 <- `|r ⋅ |s ap (|m suc) = |r ⋅ |s ap (|m) + |r ⋅ (|a ⋅ |r ↑ |m)` -| hyS , hyM , Ldist , L∈ , hy1 , ⋅∈𝕄 , ↑∈𝕄 v; F2 <- `|r ⋅ (|a ⋅ |r ↑ |m) = |a ⋅ |r ↑ { |m suc }` -| ↑𝕄 , ⋅A , ⋅C , hy1 , hyM , ↑∈𝕄 , ⋅∈𝕄 v; E1 <- `|r ⋅ |s ap (|m suc) + |a = (|r ⋅ |s ap (|m) + |a) + |a ⋅ |r ↑ { |m suc }` -| F1 , F2 , +A , +C , +∈𝕄 , ⋅∈𝕄 , L∈ , ↑∈𝕄 , hy1 , hyM , 𝕄0s v; Ls1 <- `|r ⋅ |s ap (|m suc) + |a = |s ap (|m suc) + |a ⋅ |r ↑ { |m suc }` -| E1 , hyI , hyS , hy1 , hyM , L∈ , +A , +∈𝕄 , ⋅∈𝕄 , ↑∈𝕄 v; Ls <- `[ a ; r col ∈ 𝕄 ] and s ap (0) = 0 and [ ∀ i ∈ 𝕄 . s ap (i suc) = s ap (i) + a ⋅ r ↑ i ] and m ∈ 𝕄 and r ⋅ s ap (m) + a = s ap (m) + a ⋅ r ↑ m ⟹ r ⋅ s ap (m suc) + a = s ap (m suc) + a ⋅ r ↑ { m suc }` -| 𝕄0s , IND𝕄 , +𝕄 , *𝕄 , ↑𝕄 , 1. h[fix]; hyN <- `|n ∈ 𝕄` ; Lfix <- `|r ⋅ |s ap (|n) + |a = |s ap (|n) + |a ⋅ |r ↑ |n` -| IND𝕄[C_:=`\{ cls n | |r ⋅ |s ap (n) + |a = |s ap (n) + |a ⋅ |r ↑ n \}`] , Lb , Ls , hyN , hy1 , hy0 , hyS v; goal -| 𝕄0s , IND𝕄 , +𝕄 , *𝕄 , ↑𝕄 , 1. h[fix];
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