Question 514 Marks
If $S_1, S_2, S_3$, be respectively the sums of n, 2n, 3n terms of a G.P., then prove that $\text{S}^2_1+\text{S}^2_2=\text{S}_1(\text{S}_2+\text{S}_3).$
Answer
View full question & answer→$S_1$ = sum of n terms, S1 = sum of 2n terms, S1 = sum of 3n terms. Then, $\text{S}_1^2+\text{S}_2^2$
$=(\text{S}_\text{n})^2+(\text{S}_\text{2n})^2$
$=\Big(\frac{\text{a}(1-\text{r}^\text{n})}{1-\text{r}}\Big)^2+=\Big(\frac{\text{a}(1-\text{r}^\text{2n})}{1-\text{r}}\Big)^2$
$=\frac{\text{a}^2}{(1-\text{r})^2}\Big[\big(1-(\text{r})^\text{n})^2+(1-\text{r}^{2\text{n}})\Big]$
$=\frac{\text{a}^2}{(1-\text{r})^2}\Big[1+\text{r}^{2\text{n}}-2\text{r}^\text{n}+1+\text{r}^{4\text{n}}-2\text{r}^{2\text{n}}\Big]$
$=\frac{\text{a}^2}{(1-\text{r})^2}\Big[2-\text{r}^{2\text{n}}-2\text{r}^\text{n}+\text{r}^{4\text{n}}\Big]\cdots(\text{i})$ Also, $\text{S}_1(\text{S}_2+\text{S}_3)$
$=\frac{\text{a}^2}{(1-\text{r})^2}\Big(\frac{\text{a}(1-\text{r}^{2\text{n}})}{1-\text{r}}+\frac{\text{a}(1-\text{r}^{3\text{n}})}{1-\text{r}}\Big)$
$=\frac{\text{a}^2}{(1-\text{r})^2}\big[(1-\text{r})^\text{n}(1-\text{r}^{2\text{n}})+(1-\text{r}^{\text{n}})(1-\text{r}^{3\text{n}})\big]$
$=\frac{\text{a}^2}{(1-\text{r})^2}\big[1-\text{r}^{2\text{n}}-\text{r}^\text{n}+\text{r}^{3\text{n}}-\text{r}^{3\text{n}}-\text{r}^{\text{n}}+1+\text{r}^{4\text{n}}\big]$
$=\frac{\text{a}^2}{(1-\text{r})^2}\big[2-\text{r}^{2\text{n}}-2\text{r}^\text{n}+\text{r}^{4\text{n}}\big]\cdots(\text{ii})$
$(\text{i})=(\text{ii})\text{ Hence, }\text{S}^2_1+\text{S}^2_2=\text{S}_1(\text{S}_2+\text{S}_3)$
$=(\text{S}_\text{n})^2+(\text{S}_\text{2n})^2$
$=\Big(\frac{\text{a}(1-\text{r}^\text{n})}{1-\text{r}}\Big)^2+=\Big(\frac{\text{a}(1-\text{r}^\text{2n})}{1-\text{r}}\Big)^2$
$=\frac{\text{a}^2}{(1-\text{r})^2}\Big[\big(1-(\text{r})^\text{n})^2+(1-\text{r}^{2\text{n}})\Big]$
$=\frac{\text{a}^2}{(1-\text{r})^2}\Big[1+\text{r}^{2\text{n}}-2\text{r}^\text{n}+1+\text{r}^{4\text{n}}-2\text{r}^{2\text{n}}\Big]$
$=\frac{\text{a}^2}{(1-\text{r})^2}\Big[2-\text{r}^{2\text{n}}-2\text{r}^\text{n}+\text{r}^{4\text{n}}\Big]\cdots(\text{i})$ Also, $\text{S}_1(\text{S}_2+\text{S}_3)$
$=\frac{\text{a}^2}{(1-\text{r})^2}\Big(\frac{\text{a}(1-\text{r}^{2\text{n}})}{1-\text{r}}+\frac{\text{a}(1-\text{r}^{3\text{n}})}{1-\text{r}}\Big)$
$=\frac{\text{a}^2}{(1-\text{r})^2}\big[(1-\text{r})^\text{n}(1-\text{r}^{2\text{n}})+(1-\text{r}^{\text{n}})(1-\text{r}^{3\text{n}})\big]$
$=\frac{\text{a}^2}{(1-\text{r})^2}\big[1-\text{r}^{2\text{n}}-\text{r}^\text{n}+\text{r}^{3\text{n}}-\text{r}^{3\text{n}}-\text{r}^{\text{n}}+1+\text{r}^{4\text{n}}\big]$
$=\frac{\text{a}^2}{(1-\text{r})^2}\big[2-\text{r}^{2\text{n}}-2\text{r}^\text{n}+\text{r}^{4\text{n}}\big]\cdots(\text{ii})$
$(\text{i})=(\text{ii})\text{ Hence, }\text{S}^2_1+\text{S}^2_2=\text{S}_1(\text{S}_2+\text{S}_3)$