三角数と平方数の規則性|1からnまでの和・奇数の和を図で解説

三角数と平方数の規則性|1からnまでの和・奇数の和を図で解説
にゃんこ
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1、3、6、10……という数の並びと、1、4、9、16……という数の並び。次の数は分かっても、n番目の式を作ろうとすると迷いませんか?

このページでは、教材の問1と問6を使って、1からnまでの和と1から順にn個の奇数を足した和を図で考えます。階段を2つ合わせる方法と、正方形に並べる方法を身に付けましょう。

にゃんこ
増える数が毎回違うときも、n番目の式を作れるの?
坂田先生
作れます。数を1個ずつ数える代わりに、長方形や正方形としてまとめて数えるのがコツです。まずは4番目の図で考えてから、n番目に広げましょう。
このページの内容
  1. 問1:階段状に並べた正方形の数
  2. ピラミッドや丸の並びも同じ式になる理由
  3. 100番目の個数と、5050個になる番号の求め方
  4. 問6:小さな三角形の総数と奇数の和
  5. 答えを隠して短時間で復習する練習
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増える数が一定でないときは、図の数え方を工夫する

1、3、6、10……は、2、3、4……と増えます。1、4、9、16……は、3、5、7……と増えます。どちらも、増える数が毎回同じではありません。

そのため、「最初の数+一定の増える数×増やす回数」を、そのまま当てはめることはできません。図を長方形や正方形として数えられないかを考えてみましょう。

ここでは、\(n\) は1以上の整数で、図が何番目かを表します。n番目の図にはn段あります。

問1|階段状に並べた正方形の数

問題1

次の図のように、正方形を階段状に並べます。\(n\) 番目に並んだ正方形の数を、\(n\) を使った式で表しなさい。

問1:1段、2段、3段、4段と増える階段状の正方形とn段の図

上から順に、1段目には1個、2段目には2個、3段目には3個……と並んでいます。4番目なら、\(1+2+3+4=10\) 個です。

問1:1段目1個、2段目2個と増え、n段目がn個となる階段

n番目の個数は、\(1+2+3+\cdots+n\) です。この足し算をまとめて計算するために、同じ階段をもう1つ用意して、逆向きに組み合わせます。

問1:同じ階段を2つ合わせると横n+1個、縦n段の長方形になる

上の段では \(1+n\)、次の段では \(2+(n-1)\)、その次では \(3+(n-2)\) となり、どの段も合わせて \(n+1\) 個です。それがn段あります。

4番目の階段なら、横5個・縦4段の長方形になります。2つ分が \(5\times4=20\) 個なので、1つ分は \(20\div2=10\) 個です。

同じように、n番目では2つ分の個数が \((n+1)n\) 個。求めたいのは1つ分なので、最後に2で割ります。

\((n+1)\times n\times\dfrac12\)
\(=\dfrac{n(n+1)}2\)
\(=\dfrac{n^2+n}2\)(個)

答えは \(\dfrac{n(n+1)}2\) 個です。\(\dfrac{n^2+n}2\) と書いても同じです。

覚えるときは、式と図をセットに。
「横がn+1個」「縦がn段」「同じ階段2つ分なので半分」の3つを説明できるようにしましょう。

ピラミッド状の正方形や、三角形状の丸でも同じ

次の並びも、n番目の個数を考えてみましょう。

問1と同じ個数になるピラミッド状の正方形の並び
問1と同じ結果になる、階段状と三角形状に並べた丸

形が変わっても、上から1個、2個、3個……、n個と並ぶ点は同じです。横にずらしたり、正方形を丸に置き換えたりしても、個数は変わりません。

問1:ピラミッド状でも逆向きの同じ図を合わせ、長方形の半分と考える

ピラミッド状でも、逆向きの同じ図を組み合わせると、横が \(n+1\) 個、縦がn段の長方形として数えられます。

したがって、どの並びも \(\dfrac{n(n+1)}2\) 個です。

1、3、6、10、15……のように、1から順に足してできる数を三角数といいます。名前を覚えるだけでなく、「1からnまでの和」と図を結び付けておきましょう。

問1の応用|個数を求める問題と、番号を逆算する問題

同じ階段の規則でも、「何を求めるか」によって式の使い方が変わります。

5番目は、\(1+2+3+4+5=15\) なので、15個です。

公式に \(n=5\) を入れても、\(\dfrac{5(5+1)}2=\dfrac{30}2=15\) と求められます。

100番目の個数は、\(1+2+3+\cdots+100\) です。すべて順番に足す代わりに、\(n=100\) を式に入れます。

\(\dfrac{100(100+1)}2=\dfrac{10100}2=5050\)

答えは 5050個です。\(\dfrac{100^2+100}2\) として計算しても同じです。

今度は番号が分からず、個数が5050個と分かっています。番号をnとして、個数の式=5050という方程式を作ります。

\(\dfrac{n^2+n}2=5050\)
\(n^2+n=10100\)
\(n^2+n-10100=0\)
\((n-100)(n+101)=0\)

二次方程式を解くと、\(n=100\)、\(-101\) です。しかし、nは1以上の整数なので、\(-101\) は問題に合いません。

したがって、答えは 100番目です。

二次方程式をまだ習っていない場合は、\(n(n+1)=10100\) に注目しましょう。\(100\times101=10100\) なのでn=100です。nが増えると個数も増えるため、正の整数の番号で同じ5050個になるものは他にありません。

問6|小さな三角形の総数を求める

問題6

次の図のように、小さな三角形を並べます。\(n\) 番目に並んだ白と灰色の小さな三角形の総数を、\(n\) を使った式で表しなさい。三角形の向きは関係しないものとします。

問6:白と灰色の小さな三角形の総数を数える1番目からn番目の図

数えるのは、図を分けている最小の三角形です。いくつかを組み合わせてできる、大きな三角形は加えません。上向き・下向き、白・灰色をすべて合わせて数えます。

上から1段目には1個、2段目には3個、3段目には5個、4段目には7個あります。段ごとの個数は、1、3、5、7……と奇数になっています。

n段目の個数は \(2n-1\) 個です。したがって、n番目の総数は、

\(1+3+5+\cdots+(2n-1)\)

となります。ここでの \(2n-1\) は最後の1段の個数であり、総数ではありません。

問6:段ごとの個数1、3、5、7、…、2n−1を足すと1、4、9、16、…、nの2乗になる

順番に調べると、1番目は1個、2番目は \(1+3=4\) 個、3番目は \(1+3+5=9\) 個、4番目は \(1+3+5+7=16\) 個です。

この1、4、9、16……は、\(1^2\)、\(2^2\)、\(3^2\)、\(4^2\) と表せます。n番目が本当に \(n^2\) になる理由を、次の2通りで確認しましょう。

同じ個数を、正方形や丸で表してみる

各段を1個、3個、5個……にした次の正方形の並びでも、問6と同じ総数になります。

問6と同じ個数になる、1個、3個、5個と各段が増える正方形の並び

1個、3個、5個……のまとまりを、正方形の角に沿ったL字の形に並べます。1個の正方形に3個を足すと2×2、その周りに5個を足すと3×3、その周りに7個を足すと4×4になります。

問6:1、3、5、…個のまとまりを正方形に配置し、n行n列で数える

n番目では、縦にn個、横にn個の正方形として数えられます。

\(n\times n=n^2\)(個)

したがって、答えは \(n^2\) 個です。

同じ個数のまとまりを対応させているので、元の小さな三角形の総数も \(n^2\) 個になります。

1、3、5……個の正方形がn段ある図を、逆向きにした同じ図と組み合わせます。

問6:同じ図を2つ合わせ、横2n個、縦n段の長方形の半分を求める

上の段では \(1+(2n-1)=2n\)、次の段では \(3+(2n-3)=2n\)。どの段も合わせて2n個で、それがn段あります。

2つ分の総数は \(2n\times n\) 個なので、1つ分はその半分です。

\(2n\times n\times\dfrac12=n^2\)(個)

こちらも \(n^2\) 個になりました。問1の長方形は横n+1個でしたが、問6では横2n個になる点を区別しましょう。

問6と同じ個数になる、n行n列に並べた白と灰色の正方形
問6と同じ個数になる、n行n列に並べた白と灰色の丸

正方形のタイルでも丸でも、n行n列に並んでいます。色に関係なく総数を数えるので、\(n\times n=n^2\) 個です。

1、4、9、16、25……のように、整数を2乗してできる数を平方数といいます。

三角数と平方数の違いを整理する

比べる点 問1:三角数 問6:平方数
段ごとの個数 1、2、3、…、n 1、3、5、…、2n−1
1~4番目の総数 1、3、6、10 1、4、9、16
2つ合わせた長方形 横n+1個、縦n段 横2n個、縦n段
n番目の総数 \(\dfrac{n(n+1)}2\) \(n^2\)

図の外側が三角形に見えるという理由だけで、答えを \(\dfrac{n(n+1)}2\) に決めないようにしましょう。1段にいくつ並ぶのかを確かめることが大切です。

理解した問題を、短時間で復習できるようにする

坂田先生
最初は、図と式をゆっくり結び付けてください。理解できたら解説を閉じて、式の意味を説明する練習をしましょう。正しく説明できる問題から、復習の時間を短くしていきます。
  1. 問1の式で、n+1と「2で割る」は何を表す?
  2. 問6の式で、2n−1とn²は何が違う?
  3. 問1の5番目と問6の5番目は、それぞれ何個?
  4. 問1で5050個になる番号は?
  1. n+1は2つ合わせた長方形の横の個数。2で割るのは、同じ図2つ分から1つ分に戻すためです。
  2. 2n−1はn段目だけの個数、n²は1段目からn段目までの総数です。
  3. 問1は \(5\times6\div2=15\) 個、問6は \(5^2=25\) 個です。
  4. 100番目です。

答えだけを思い出す練習になっていないかも確かめましょう。「なぜその式になるか」を言葉で説明できれば、図が少し変わった問題にも対応しやすくなります。

パターン別に学習したい&印刷したい方へ

坂田先生
にゃんこ
プリントアウトしたい方、動画の実演を見ながら高速復習する方法を身に付けたい方は、規則性の教材ページをご覧ください。