Как найти последовательность рекуррентным способом

Пусть известно, что
в последовательности каждый член, начиная со второго, равен квадрату
предыдущего.

ПРИМЕР:

Чтобы задать последовательность

2;  4;  16; 
256; … ,

достаточно указать первый её член. Таким образом, эта
последовательность задаётся двумя условиями:

– первый член равен 
2,

– каждый член, начиная со второго, равен квадрату
предшествующего.

Если последовательность обозначить через  (a_n),
то эти условия запишутся так:

a₁ = 2;  a_n+1 = a_n².

ПРИМЕР:

Рассмотрим последовательность  (b_n),
первый член которой равен единице, второй – двум, а каждый член, начиная с
третьего, равен сумме двух предыдущих членов:

b₁ = 1;  b₂ = 2;  
b_n+2 = b_n + b_n+1.

Зная первые два члена 
b₁  и  b₂ 
последовательности  (b_n)  и формулу

b_n+2 = b_n + b_n+1,

можно найти любой член последовательности:

b₃ = 1 + 2 = 3;  
b₄ = 2 + 3 = 5; 

b₅ = 3 + 5 = 8  и т. д.

Значит, последовательность  (b_n)  задана.

Рекуррентный способ задания последовательности состоит
в том, что задаётся первый член последовательности (или несколько членов) и правило, по которому определяется следующий
член последовательности по известным его предыдущим членом (или несколькими членами).

Формула, которая устанавливает
соотношение  n-го члена последовательности его предыдущим членом, называется
рекуррентным соотношением.

ПРИМЕР:

Пусть задано

u₁ = 1, u₂ = 3, 

а рекуррентное соотношение
имеет вид 

u_n = 2u_n—1 + u_n-2 (n ≥ 3).

Тогда получим последовательность

u₁ = 1, u₂ = 3,

u₃ = 2×3 + 1 = 7,

u₄ = 2×7 + 3 = 17, … ,

или

1,  3,  7,  17,
…

ПРИМЕР:

Пусть первый член
последовательности (с_n)   равен 
12,
а каждый следующий, начиная со второго, получается вычитанием из предыдущего
члена числа  5, т. е.

с₁ = 12;  с_n+1 = с_n – 5.

Тогда

с₂ = с₁ – 5 = 7,

с₃ = с₂ – 5 = 2,

с₄ = с₃ – 5 = –3  и т. д.

• Задания к уроку 3

Другие уроки:

• Урок 1. Понятие последовательности
• Урок 2. Способы задания последовательностей
• Урок 4. Определение арифметической прогрессии
• Урок 5. Формула n-го члена арифметической прогрессии
• Урок 6. Формула суммы n первых членов арифметической прогрессии
• Урок 7. Определение геометрической прогрессии
• Урок 8. Формула n-го члена геометрической прогрессии
• Урок 9. Формула суммы n первых членов геометрической прогрессии

Рекуррентные соотношения и уравнения

В этом разделе вы найдете бесплатные примеры решений рекуррентных соотношений методом характеристического уравнения и подбора частного решения по правой части. Также приведены краткие алгоритмы решения для двух методов и пример их использования для последовательности Фибоначчи.

Как решать рекуррентные соотношения?

Для решения рекуррентных соотношений применяют один из двух основных способов:

• Метод производящих функций
• Метод характеристического уравнения

В следующем разделе мы сравним, как выглядит процесс решения для одной и той же последовательности двумя методами.

Метод производящих функций

1. Записать рекуррентное соотношение и начальные данные для него в следующем виде (если порядок соотношения равен $k$) $$a_ <0>= …, \ a_ <1>= …, \ a_ = …, \ … \ a_ = …, ngeqslant k$$
2. Домножить каждую строчку на $z$ в соответствующей степени $z^ cdot a_$ и сложить все выражения для $n ge 0$. В левой части получится сумма $displaystylesum_^ <infty>a_nz^n$ — это производящая функция, назовем ее $G(z)$. Правую часть преобразовать так, чтобы она превратилась в выражение, включающее $G(z)$.
3. Решить полученное уравнение относительно $G(z)$.
4. Разложить $G(z)$ в степенной ряд, тогда коэффициент при $z_n$ будет искомым выражением для $a_n$.

Метод характеристических функций

Этот метод практически полностью аналогичен методу решения линейных неоднородных дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами, кратко алгоритм выглядит так:

1. Записать соответствующее однородное рекуррентное уравнение (РУ): $$ p_ a_ + p_a_ + . + p_n a_n =f to \ to p_ a_ + p_a_ + . + p_n a_n =0. $$
2. Выписать для него характеристическое уравнение и найти его корни $lambda_i$ $$ p_ lambda^ + p_lambda^ + . + p_lambda + p_n =0. $$
3. Выписать согласно полученным корням $lambda_1, . lambda_k$ общее решение однородного рекуррентного соотношения (подробнее теорию см. по ссылке [1] ниже). $$ C_1 lambda_1^n +. +C_k lambda_k^n , mbox < для случая различных простых корней>, $$ $$ C_1 lambda_1^n + C_2 nlambda_1^n +. +C_m n^m lambda_1^n+. +C_k lambda_k^n mbox < для случая корня >, lambda_1 , < кратности >, m. $$
4. Подобрать частное решение неоднородного рекуррентного соотношения по виду правой части (особенно удобно для правых частей вида $mu^n*P(n)$, $P(n)$ — многочлен от $n$).
5. Представить общее решение неоднородного РУ как сумму общего решения соответствующего однородного РУ и частного решения неоднородного РУ.
6. Подставить начальные условия $a_0, a_1, . a_$ и получить значения констант $C_1, . C_k$.

Решение для последовательности чисел Фибоначчи

Последовательность чисел Фибоначи — это последовательность, каждый элемент которой (кроме нулевого и первого) равен сумме двух предыдущих:

$$ 0, 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34 , . $$

Числа Фибоначчи растут быстро: $f_<10>=55$, $f_<20>=6765$, а $f_<100>=354224848179261915075$.

Общая формула данной рекуррентной последовательности имеет вид6

Способ 1. Производящяя функция

Начинаем с второго шага алгоритма, домножаем на $z^n$:

$$begin 1cdot f_0 &= &0cdot 1,\ zcdot f_1 &= &1cdot z,\ zcdot f_n & = &(f_+f_)cdot z^n, quad ngeq2.\ end $$

Складываем все строчки:

На третьем шаге алгоритма приводим все суммы к замкнутому виду:

откуда выводим искомое выражение для производящей функции:

Теперь разложим ее в степенной ряд. Для этого сначала разложим знаменатель на множители. Найдем корни уравнения:

Чтобы разложить данные дроби в ряды, используем известное разложение для дроби:

Рассмотрим первую дробь и поделим в ней числитель и знаменатель на $z_1$:

Аналогично (но с делением на $z_2$) действуем со второй дробью:

Преобразуем данное выражение, используя то, что

$$1/z_1=-z_2, quad 1/z_2 = -z_1, quad z_1-z_2=sqrt <5>$$ $$f_n=frac<1><sqrt<5>>left( biggl( frac<1+sqrt<5>> <2>biggr)^n — biggl( frac<1-sqrt<5>> <2>biggr)^n right). $$

Способ 2. Характеристическое уравнение

Запишем характеристический многочлен для $f_n=f_+f_$, и найдем его корни:

Тогда общее решение однородного рекуррентного уравнения имеет вид:

Осталось найти значения произвольных постоянных $C_1, C_2$ из начальных условий $f_0=0, f_1=1$.

Решая систему, найдем

Итоговое выражение для последовательности чисел Фибоначчи:

Результаты обоих методов совпали, решение вторым методом оказалось проще и короче.

Примеры решений

Задача 1. Решить рекуррентное соотношение $f(n+2)=-6f(n+1)+7f(n)+n-3$ с начальными условиями $f(0)=2$ и $f(1)=4$, сделать проверку

Задача 2. Решить рекуррентное соотношение $f(n+2)=-2f(n+1)+3f(n)-3^n$ с начальными условиями $f(0)=1$, $f(1)=3$ и сделать проверку

Задача 3. 1. Решить рекуррентное соотношение $f(n+2) =-5f(n+1) -4f(n) + 3n^2$ с начальными условиями $f(0) = 2$, $f(1) = 3$.
2. Проверить, удовлетворяет ли найденное решение начальным условиям и обращает ли оно рекуррентное соотношение в справедливое тождество.

Задача 4. Найти последовательность $$, удовлетворяющую рекуррентному соотношению $a_ + 4 a_ + 3 a_ = 0$ и начальным условиям $a_1=2$, $a_2=4$.

Источник

Решение рекуррентных соотношений

Содержание

Определения [ править ]

Определение:

Рекуррентная формула (англ. recurrence relation) — формула вида [math]a_n=f(n, a_, a_, dots, a_ ) [/math] , выражающая каждый следующий член последовательности [math]a_n[/math] через [math]p[/math] предыдущих членов и номер члена последовательности [math]n[/math] , вместе с заданными первыми p членами, где [math]p[/math] — порядок рекуррентного соотношения.

Для рекуррентного соотношения, которому удовлетворяет последовательность [math] < a_n >[/math] мы часто хотим получить выражение для [math]a_n[/math] . Например, для рекуррентного соотношения, задающего числа Фибоначчи:

[math] F_0 = 0,qquad F_1 = 1,qquad F_ = F_ + F_, quad ngeqslant 2, quad nin Z[/math]

[math]a_n[/math] член может быть записан следующим образом: [math]a_n=dfrac<1><sqrt<5>>left( biggl( dfrac<1+sqrt<5>> <2>biggr)^n — biggl( dfrac<1-sqrt<5>> <2>biggr)^n right).[/math]

Для этого можно использовать метод производящих функций (англ. generating function method).

Метод производящих функций [ править ]

Алгоритм получения выражения для чисел [math]a_[/math] , удовлетворяющих рекуррентному соотношению, с помощью производящих функций cостоит из [math]4[/math] шагов.

1. Записать рекуррентное соотношение и начальные данные для него в следующем виде (если порядок соотношения равен [math]k[/math] ): [math]a_ <0>= …, \ a_ <1>= …, \ a_ = …, \ … \ a_ = …, ngeqslant k[/math]
2. Домножить каждую строчку на [math]z[/math] в соответствующей степени ( [math]z^ cdot a_ = … cdot z^[/math] ) и сложить все выражения, многоточие надо рассматривать как множество из выражений, где [math]n in [k, +infty)[/math] . В левой части получится сумма [math]displaystylesum_^ <infty>a_nz^n[/math] — это производящая функция, назовем ее [math]G(z)[/math] . Правую часть преобразовать так, чтобы она превратилась в выражение, включающее [math]G(z)[/math] .
3. Решить полученное уравнение, получив для [math]G(z)[/math] выражение в замкнутом виде.
4. Разложить [math]G(z)[/math] в степенной ряд, коэффициент при [math]z_n[/math] будет искомым выражением для [math]a_n[/math] .

Примеры [ править ]

[math]1[/math] пример [ править ]

Производящие функции позволяют решать рекуррентные соотношение механически по одному и тому же алгоритму. Рассмотрим общую схему на простом примере, который позволит продемонстрировать базовые приёмы работы.

Задано линейное однородное рекуррентное соотношение порядка [math]2[/math] с постоянными коэффициентами:
[math]begin a_0&<>=<>&0,\ a_1&<>=<>&1,\ a_n&<>=<>&5a_-6a_, quad ngeqslant2.\ end [/math]

Порядок соотношения — это его «глубина», то есть количество предшествующих элементов, требуемых для вычисления элемента с номером [math]n[/math] . В данном случае порядок равен [math]2[/math] , так как для вычисления [math]a_n[/math] требуется знать [math]a_[/math] и [math]a_[/math] .

Будем искать производящую функцию последовательности в виде
[math] G(z)=displaystylesum_^ <infty>a_nz^n = a_0+a_1z+a_2z^2+cdots, [/math]

с этой целью умножим верхнюю строчку в записи рекуррентного соотношения на [math]z^0[/math] , следующую — на [math]z^1[/math] и последнюю — на [math]z^n[/math] :
[math]begin 1cdot a_0&<>=<>&0cdot 1,\ zcdot a_1&<>=<>&1cdot z,\ z^ncdot a_n&<>=<>&(5a_-6a_)cdot z^n, quad ngeqslant2.\ end [/math]

Теперь сложим все уравнения для всех значений [math]n[/math] :
[math] underbrace^<infty>a_nz^n>_ <=>z+5displaystylesum_^<infty>a_z^n-6displaystylesum_^<infty>a_z^n. [/math]

Левая часть уравнения в точности равна [math]G(z)[/math] , а в правой части есть суммы, очень похожие на функцию [math]G(z)[/math] , но не равные ей. Эти суммы нужно привести к виду [math]G(z)[/math] . Начнём с первой:
[math] displaystylesum_^<infty>a_z^n stackrel<(1)><=>zdisplaystylesum_^<infty>a_z^ stackrel<(2)> <=>zdisplaystylesum_^<infty>a_z^n stackrel<(3)> <=>zbiggr( underbrace< displaystylesum_^<infty>a_z^n+a_0>_ — a_0biggr)=z(G(z)-a_0) stackrel<(4)> <=>z G(z). [/math]

Равенство [math](1)[/math] получатся вынесением [math]z[/math] в первой степени за знак суммы, это необходимо, чтобы уровнять степень переменной [math]z[/math] и индекс переменной a внутри суммы. Действие [math](2)[/math] — изменение индекса суммирования, которое позволяет избавиться от [math]n-1[/math] . Равенство [math](3)[/math] получается, если прибавить и снова отнять значение [math]a_0[/math] , чтобы получить полную сумму от [math]n=0[/math] до [math]∞[/math] . Равенство [math](4)[/math] справедливо в силу того, что [math]a_0=0[/math] .

Аналогичные манипуляции со второй суммой дают нам выражение
[math] displaystylesum_^<infty>a_z^n = z^2displaystylesum_^<infty>a_z^ = z^2displaystylesum_^<infty>a_z^=z^2G(z). [/math]

Теперь наше исходное уравнение для производящей функции принимает вид:
[math] G(z) = z + 5zG(z) -6z^2G(z), [/math]

откуда получаем производящую функцию последовательности в замкнутом виде:
[math] G(z) = dfrac<1-5z+6z^2>. [/math]

Отыскав производящую функцию в замкнутом виде, её нужно снова разложить в ряд. Это можно сделать разными способами, но самый простой из них — разбить всю дробь на простые дроби и применить формулу для разложения [math]dfrac<1><1-z>[/math] . Итак, разложим знаменатель функции на множители:
[math] G(z) = dfrac <1-5z+6z^2>= dfrac<(1-3z)(1-2z)>. [/math]

Теперь разобьём дробь на сумму простых дробей:
[math] dfrac <(1-3z)(1-2z)>= dfrac<1> <1-3z>— dfrac<1><1-2z>. [/math]

Из этого разложения следует, что
[math] dfrac<1><1-3z>= displaystylesum_^<infty>(3z)^n quadmbox< и >quad dfrac<1><1-2z>= displaystylesum_^<infty>(2z)^n. [/math]

Таким образом,
[math] G(z) = displaystylesum_^<infty>3^nz^n — displaystylesum_^<infty>2^nz^n = displaystylesum_^<infty>(3^n-2^n)z^n. [/math]

С другой стороны, мы искали [math]G(z)[/math] в виде
[math] G(z)=displaystylesum_^ <infty>a_nz^n, [/math]
поэтому, в силу равенства рядов, [math]a_n=3^n-2^n[/math] (для [math]ngeqslant 0[/math] ).

[math]2[/math] пример: числа Фибоначчи [ править ]

Рассмотрим рекуррентное соотношение для чисел Фибоначчи:
[math]begin f_0&<>=<>&0,\ f_1&<>=<>&1,\ f_n&<>=<>&f_+f_, quad ngeqslant2.\ end [/math]

Первый шаг алгоритма мы уже выполнили, записав рекуррентное соотношение. Выполним второй шаг:
[math]begin 1cdot f_0&<>=<>&0cdot 1,\ zcdot f_1&<>=<>&1cdot z,\ z^ncdot f_n&<>=<>&(f_+f_)cdot z^n, quad ngeqslant2.\ end [/math]

Складываем все строчки:
[math] f_0 + f_1 z + displaystylesum_^<infty>f_nz^n = z + displaystylesum_^<infty>f_z^n+displaystylesum_^<infty>f_z^n. [/math]

Третий шаг алгоритма требует привести все суммы к замкнутому виду:
[math]begin G(z) &<>=<>& z + zdisplaystylesum_^<infty>f_z^+z^2displaystylesum_^<infty>f_z^, \ G(z) &<>=<>& z + zdisplaystylesum_^<infty>f_z^n+z^2displaystylesum_^<infty>f_z^n, \ G(z)&<>=<>& displaystyle z + z(G(z)-f_0)+z^2G(z),\ G(z)&<>=<>& displaystyle z + zG(z)+z^2G(z),\ end [/math]

откуда получаем замкнутое выражение для производящей функции:
[math] G(z) = dfrac<1-z-z^2>. [/math]

Осталось разложить её в ряд (чего требует четвёртый шаг алгоритма). С этой целью нужно разложить знаменатель на множители. Найдем корни уравнения:
[math]displaylines< 1-z-z^2 = 0 cr z_1=-dfrac<1-sqrt<5>><2>, z_2=-dfrac<1+sqrt<5>><2>. > [/math]

Нам известно разложение следующей рациональной функции:
[math] dfrac<1> <1-z>= displaystylesum_^<infty>z^n = 1 + z + z^2 + z^3 + cdots. [/math]

Рассмотрим первую дробь и поделим в ней числитель и знаменатель на [math]z_1[/math] :
[math] dfrac = dfrac1dfrac<1><1-dfrac> = dfrac1displaystylesum_^<infty>dfrac. [/math]

Аналогично (но с делением на [math]z_2[/math] ) поступим со второй дробью:
[math] dfrac = dfrac1dfrac1<1-dfrac> = dfrac1displaystylesum_^<infty>dfrac. [/math]

Данное выражение можно упростить, если обратить внимание на то, что [math]1/z_1=-z_2[/math] , [math]1/z_2=-z_1[/math] и [math]z_1-z_2=√5[/math] . Подставим [math]z_1[/math] и [math]z_2[/math] в предыдущее выражение:
[math] f_n=dfrac<1><sqrt<5>>left( biggl( dfrac<1+sqrt<5>> <2>biggr)^n — biggl( dfrac<1-sqrt<5>> <2>biggr)^n right). [/math]

[math]3[/math] пример [ править ]

Найдём производящую функцию для последовательности квадратов чисел Фибоначчи: $1, 1, 4, 9, 25, ldots, f_k^2,ldots$.

По определению последовательности Фибоначчи выполняется:
[math] left< begin f_ = f_ + f_n \ f_ = f_ — f_n end right. [/math]
Возведя в квадрат и сложив, получим:
[math] begin f_^2 + f_^2 = 2f_^2 + 2f_n^2, \ f_^2 = 2f_^2 + 2f_n^2 — f_^2, \ f_^2 = 2f_^2 + 2f_^2 — f_^2.\ end [/math]
Обозначим рассматриваемую последовательность [math]A[/math] , а её члены [math]a_n[/math] , тогда:
[math]a_n = 2a_ + 2a_ — a_[/math]

Рекуррентное соотношение:
[math] begin a_0 = f_0^2 = 1 \ a_1 = f_1^2 = 1 \ a_2 = f_2^2 = 4 \ a_n = 2a_ + 2a_ — a_, quad ngeqslant3.\ end [/math]

Приведём суммы к замкнутому виду:
[math] begin A(z) = displaystylesum_^<infty>a_nz^n = 1 + z + 4z^2 + displaystylesum_^<infty>(2a_ + 2a_ — a_)z^n, \ A(z) = 1 + z + 4z^2 + 2displaystylesum_^<infty>a_z^n + 2displaystylesum_^<infty>a_z^n — displaystylesum_^<infty>a_z^n, \ A(z) = 1 + z + 4z^2 + 2zdisplaystylesum_^<infty>a_nz^n + 2z^2displaystylesum_^<infty>a_nz^n — z^3displaystylesum_^<infty>a_nz^n, \ A(z) = 1 + z + 4z^2 + 2z(A(z) — 1 — z) + 2z^2(A(z) — 1) — z^3A(z), \ A(z) = 1 + z + 4z^2 + 2zA(z) — 2z — 2z^2 + 2z^2A(z) — 2z^2 — z^3A(z), \ A(z)(1 — 2z — 2z^2 + z^3) = 1 + z + 4z^2 — 2z — 2z^2 — 2z^2 = 1 — z, \ end [/math]
откуда получаем замкнутое выражение для производящей функции:
[math]G(z) = dfrac<1 — z><1 — 2z 2z^2 + z^3>.[/math]

[math]4[/math] пример [ править ]

Рассмотрим следующее рекуррентное соотношение:
[math]begin a_0&<>=<>&1,\ a_1&<>=<>&2,\ a_n&<>=<>&6a_-8a_+n, quad ngeqslant2.\ end [/math]

Следующие действия аналогичны тем, которые мы делали для чисел Фибоначчи:
[math]begin displaystyle a_0 + a_1 z + displaystylesum_^<infty> &<>=<>& 1+2z+6displaystylesum_^<infty>>-8displaystylesum_^<infty>>+displaystylesum_^<infty>nz^n, \ G(z) &<>=<>& 1+2z+6zdisplaystylesum_^<infty>>>-8z^2displaystylesum_^<infty>>>+displaystylesum_^<infty>nz^n, \ G(z) &<>=<>& 1+2z+6zdisplaystylesum_^<infty>>>-8z^2displaystylesum_^<infty>>>+displaystylesum_^<infty>nz^n, \ G(z) &<>=<> & 1+ 2z + 6z(G(z)-a_0)-8z^2G(z) + displaystylesum_^<infty>nz^n.\ G(z) &<>=<> & 1 — 4z + 6zG(z)-8z^2G(z) + displaystylesum_^<infty>nz^n.\ end [/math]

Вспомним, что
[math] (z^n)’ = nz^, [/math]

поэтому
[math] displaystylesum_^<infty>nz^n=zdisplaystylesum_^<infty>nz^=zdisplaystylesum_^<infty>(z^n)’=zbiggl(displaystylesum_^<infty>z^nbiggr)’. [/math]

Последняя сумма может быть свёрнута:
[math] displaystylesum_^<infty>z^n=displaystylesum_^<infty>z^n-1-z=dfrac<1><1-z>-1-z=dfrac<1-z>. [/math]

Подставив свёрнутое выражение обратно, имеем,
[math] zbiggl(displaystylesum_^<infty>z^nbiggr)’ = z biggl(dfrac<1-z>biggr)’=dfrac<(1-z)^2>. [/math]

Таким образом, наше последнее уравнение примет вид
[math] G(z) = 1 -4z + 6zG(z)-8z^2G(z) + dfrac<(1-z)^2>.\ [/math]

Это уравнение для производящей функции. Из него выражаем [math]G(z)[/math] :
[math] G(z) = dfrac<1-6z+11z^2-5z^3><(1-6z+8z^2)(1-z)^2>. [/math]

Дальше мы знаем что делать со всеми этими дробями, кроме, разве лишь, первой. Рассмотрим её (без множителя) подробнее:
[math] dfrac<1> <(1-z)^2>=(1-z)^ <-2>=displaystylesum_^<infty>binom<-2>(-z)^n=displaystylesum_^<infty>(-1)^nbinom<1>(-z)^n =displaystylesum_^<infty>(n+1)z^n. [/math]

Источник

Числовая последовательность

Рекуррентная
последовательность. Из курса математики
известно понятие рекуррентной
последовательности. Это понятие вводится
так: пусть известно k
чисел a1,
…, аk.
Эти числа являются первыми числами
числовой последовательности. Следующие
элементы данной последовательности
вычисляются так:

Здесь F—
функция от k
аргументов. Формула
вида

называется
рекуррентной формулой. Величина k
называется глубиной рекурсии.

Другими
словами, можно сказать, что рекуррентная
последовательность — это бесконечный
ряд чисел, каждое из которых, за исключением
k
начальных, выражается через предыдущие.

Примерами рекуррентных
последовательностей являются
арифметическая (1) и геометрическая (2)
прогрессии:

Рекуррентная формула
для указанной арифметической прогрессии:

Рекуррентная формула
для данной геометрической прогрессии:

Глубина рекурсии в
обоих случаях равна единице (такую
зависимость еще называют одношаговой
рекурсией). В целом рекуррентная
последовательность описывается
совокупностью начальных значений и
рекуррентной формулы. Все это можно
объединить в одну ветвящуюся формулу.
Для арифметической прогрессии:

Для геометрической
прогрессии:

Следующая числовая
последовательность известна в математике
под названием чисел Фибоначчи:

1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55,
…

Начиная
с третьего элемента каждое число равно
сумме значений двух предыдущих, т. е.
это рекуррентная последовательность
с глубиной равной 2 (двухшаговая рекурсия).
Опишем ее в
ветвящейся форме:

Введение
представления о рекуррентных
последовательностях позволяет по-новому
взглянуть на некоторые уже известные
нам задачи. Например, факториал целого
числа п! можно рассматривать как значение
n-го
элемента следующего ряда чисел:

Рекуррентное описание
такой последовательности выглядит
следующим образом:

Программирование
вычислений рекуррентных последовательностей.
С рекуррентными последовательностями
связаны задачи такого рода:

1) вычислить
заданный (n-й)
элемент последовательности;

2)
математически обработать определенную
часть последовательности (например,
вычислить сумму или произведение первых
n
членов);

3) подсчитать
количество элементов на заданном отрезке
последовательности, удовлетворяющих
определенным свойствам;

4) определить номер
первого элемента, удовлетворяющего
определенному условию;

5) вычислить и
сохранить в памяти заданное количество
элементов последовательности.

Данный перечень
задач не претендует на полноту, но
наиболее часто встречающиеся типы он
охватывает. В четырех первых задачах
не требуется одновременно хранить в
памяти множество элементов числового
ряда. В таком случае его элементы могут
получаться последовательно в одной
переменной, сменяя друг друга.

Пример
1. Вычислить n-й
элемент арифметической прогрессии (1).

Var M,I: 0..Maxint;

A: Real;

Begin

Write(‘N=’);

ReadLn(N);

A:=l;

For I: =2 To N Do

A:=A+2;

WriteLn(‘A(‘,N:l,’)=’,A:6:0)

End.

Рекуррентная формула
ai = ai-­1 + 2 перешла в оператор А := А + 2.

Пример 2. Просуммировать
первые п элементов геометрической
прогрессии (2) (не пользуясь формулой
для суммы первых n членов прогрессии).

Var N,1: 0..Maxint;

A,S: Real;

Begin

Write(‘N=’); ReadLn(N);

A:=l;

S:=A;

For I: =2 To N Do

Begin

A:=2*A;

S:=S+A

End;

WriteLn(‘Сумма
равна’,S:6:0)

End.

При вычислении
рекуррентной последовательности с
глубиной 2 уже нельзя обойтись одной
переменной. Это видно из следующего
примера.

Пример 3. Вывести на
печать первые п (п ≥ 3) чисел Фибоначчи.
Подсчитать, сколько среди них четных
чисел.

Var N,I,K,F,F1,F2: 0..Maxint;

Begin

Fl:=l; F2:=l;

K:=0;

WriteLn(‘F(l)=’,Fl,’F(2)=’,F2);

For I:=3 To N Do

Begin

F:=F1+F2;

WriteLn(‘F(‘,I:l,’)=’,F);

If Not Odd(F) Then K:=K+1;

F1:=F2; F2:=F

End;

WriteLn(‘Количество
четных чисел в последовательности
равно’,К)

End.

Понадобились три
переменные для последовательного
вычисления двухшаговой рекурсии,
поскольку для нахождения очередного
элемента необходимо помнить значения
двух предыдущих.

Пример 4. Для заданного
вещественного х и малой величины ε
(например, ε = 0,000001) вычислить сумму ряда

включив в нее только
слагаемые, превышающие ε. Известно, что
сумма такого бесконечного ряда имеет
конечное значение, равное еx, где е =
2,71828… — основание натурального логарифма.
Поскольку элементы этого ряда представляют
собой убывающую последовательность
чисел, стремящуюся к нулю, то суммирование
нужно производить до первого слагаемого,
по абсолютной величине не превышающего
ε.

Если слагаемые в
этом выражении обозначить следующим
образом:

то обобщенная формула
для i-го элемента будет следующей:

Нетрудно увидеть,
что между элементами данной
последовательности имеется рекуррентная
зависимость. Ее можно найти интуитивно,
но можно и вывести формально. Правда,
для этого нужно догадаться, что рекурсия
— одношаговая, и что каждый следующий
элемент получается путем умножения
предыдущего на некоторый множитель,
т.е.

Используя обобщенную
формулу, имеем:

Отсюда:

Действительно:

Следовательно,
данная рекуррентная последовательность
может быть описана следующим образом:

И наконец, приведем
программу, решающую поставленную задачу.

Var A,X,S,Eps: Real;

I: Integer;

Begin

Write(‘X =’); ReadLn(X);

Write(‘Epsilon =’); ReadLn(Eps);

A:=l; S:=0; I:=0;

While Abs(A)>Eps Do

Begin

S:=S+A;

I:=I+1;

A:=A*X/I

End;

WriteLn(‘Сумма
ряда
равна’,
S:10:4)

End.

Как и прежде, значения
одношаговой рекуррентной последовательности
вычисляются в одной переменной.

Каждое повторное
выполнение цикла в этой программе
приближает значение S к искомому (уточняет
значащие цифры в его записи). Такой
вычислительный процесс в математике
называется итерационным процессом.
Соответственно, циклы, реализующие
итерационный вычислительный процесс,
называются итерационными циклами. Для
их организации используются операторы
While или Repeat.

Пример 5. Для заданного
натурального N и вещественного х (х >
0) вычислить значение выражения:

В этом случае
рекуррентность не столь очевидна.
Попробуем найти ее методом индукции.
Будем считать, что искомое выражение
есть N-й элемент последовательности
следующего вида:

Отсюда видна связь:

Теперь поставленная
задача решается очень просто:

Var A,X: Real; I,N: Integer;

Begin

Write(‘X=’); ReadLn(X);

Write(‘N=’); ReadLn(N);

A:= Sqrt(X);

For I:=2 To N Do

A:=Sqrt(X+A);

WriteLn(‘Ответ:’,А)

End.

К решению всех
перечисленных выше задач можно подойти
иначе.

Вспомним о рекурсивно
определенных подпрограммах. Посмотрите
на описание арифметической прогрессии
в форме рекуррентной последовательности.
Из него непосредственно вытекает способ
определения функции для вычисления
заданного элемента прогрессии.

Сделаем это для
общего случая, определив арифметическую
прогрессию с первым членом а0 и разностью
d:

Соответствующая
подпрограмма-функция выглядит так:

Function Progres(АО,D:
Real;I: Integer): Real;

Begin

If I=1

Then Progres:=AO

Else Progres:=Progres(A0,D,I-1)+D

End;

Следующая программа
выводит на экран первые 20 чисел Фибоначчи,
значения которых вычисляет рекурсивная
функция Fibon.

Var К:
Byte;

Function Fibon(N: Integer):
Integer;

Begin

If (N=1) Or (N=2)

Then Fibon:=1

Else Fibon:=Fibon(N-1)+Fibon(N-2)

End;

Begin

For K:=l To 20 Do
WriteLn(Fibon(K))

End.

Необходимо
отметить, что использование рекурсивных
функций ведет к замедлению счета. Кроме
того, можно столкнуться с проблемой
нехватки длины стека, в котором
запоминается «маршрут» рекурсивных
обращений.

Рекуррентные
последовательности часто используются
для решения разного рода эволюционных
задач, т.е. задач, в которых прослеживается
какой-то процесс, развивающийся во
времени. Рассмотрим такую задачу.

Пример 6. В ходе
лечебного голодания масса пациента за
30 дней снизилась с 96 до 70 кг. Было
установлено, что ежедневные потери
массы пропорциональны массе тела.
Вычислить, чему была равна масса пациента
через k дней после начала голодания для
k = 1, 2, …, 29.

Обозначим массу
пациента в i-й день через рi (i = 0, 1, 2, …,
30). Из условия задачи известно, что р0 =
96 кг, p30 = 70 кг.

Пусть К— коэффициент
пропорциональности убывания массы за
один день. Тогда

Получаем
последовательность, описываемую
следующей рекуррентной формулой:

Однако нам неизвестен
коэффициент К. Его можно найти, используя
условие p30 = 70.

Для этого будем
делать обратные подстановки:

Далее программирование
становится тривиальным.

Var I: Byte; P,Q: Real;

Begin

P:=96;

Q:=Exp(l/30*Ln(70/96));

For I:=l To 29 Do

Begin

P:=Q*P;

WriteLn(I,’-й
день-‘,Р:5:3,’кг’)

End

End.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #

Содержание:

Числовые последовательности

Термин «последовательность» используют, когда говорят о расположении учеников в шеренге, очередности дней недели, расположении команд в турнирной таблице и т. п. В этом параграфе мы выясним, что такое числовая последовательность, в частности, что такое арифметическая и геометрическая прогрессии, каковы их свойства, научимся использовать свойства упомянутых прогрессий при решении прикладных задач.

• 1; 1; 2; 3; 5; 8;… — последовательность
• 2; 5; 8; 11; 14;… — арифметическая прогрессия (каждое число, начиная со второго, на 3 больше предыдущего)
• 2; 6; 18:54; 162:. . — геометрическая прогрессия (каждое число, начиная со второго, в три раза больше предыдущего)

Рассмотрим несколько примеров.

Пример:

Один подсолнух за лето «выпивает» в среднем 250 л воды. Сколько воды «выпьют» за лето 1 ,2 ,3 ,4 ,5 подсолнухов?

Решение:

Во второй строке получили несколько чисел, записанных в определенном порядке, говорят, получим последовательность чисел: 250; 500; 750: 1000; 1250, в которой на первом месте стоит число 250, на втором — 500, на пятом — 1250. В этом примере каждому натуральному числу от 1 до 5 включительно соответствует одного число из указанной последовательности. Итак, имеем функцию, областью определения которой является множество чисел 1.2.3.4.5.

Пример:

3аписать в порядке возрастания натуральные числа запись которых оканчивается цифрой 2.

Решение:

Получим последовательность чисел 2; 12; 22; 32; 42; …. в которой на первом месте стоит число 2, на втором — 12. на третьем — 22 и т. д.

В этом примере каждому натуральному числу соответствует одно чис­ло из указанной последовательности. Так, натуральному числу 6 соответствует число 52 этой последовательности, числу 7 — число 62 и т. д. Следовательно, имеем функцию, областью определения которой является множество всех натуральных чисел.

Определение:

Последовательностью называют функцию, заданную на множестве всех или первых натуральных чисел.

Числа образующие последовательность. называют членами последовательности. Если последовательность имеет конечное число членов, тогда ее называют конечной последовательностью (пример 1). Если последовательность имеет бесконечное число членов, то ее называют бесконечной последовательностью (пример 2), а в записи это показывают многоточием после последнего записанною члена последовательности.

Приведем еще примеры последовательностей:

• 4; 8; 12; 16;… — последовательность натуральных чисел, кратных 4;
• — последовательность правильных дробей с числителем 1;
• -1: -2 ; -3 ; -4 ;… — последовательность отрицательных целых чисел;
• 0.1; 1.1; 2.1: 3,1 — последовательность, состоящая из четырех членов;
• 7 :7 ; 7 :7 :… — последовательность, все члены которой равны 7.
• Четвертая последовательность конечная, остальные — бесконечные.

В общем случае члены последовательности, как правило, обозначают маленькими буквами с индексами внизу. Каждый индекс указывает порядковый номер члена последовательности. Например, первый член последовательности обозначают читают «а первое», второй — читают «а второе», член последовательности с номером обозначают , и читают «а энное». Саму последовательность обозначают и записывают: Член называют следующим за а член — предыдущим члену Например, рассмотрим последовательность 1: 3; 5;… — последовательность нечетных натуральных чисел. В ней Член последовательности является предыдущим члену и последующим за членом

Способы задании последовательностей

Чтобы задать последовательность, нужно указать способ, при помощи которого можно найти любой ее член. Существуют различные способы задания последовательностей.

1. Последовательность можно задать описанием способа определения ее членов. Например, пусть задана последовательность, членами которой являются делители числа 15, записанные в порядке возрастания. Эту последовательность, описанную словами, можно записать так; 1 ; 3; 5: 15.

2. Конечную последовательность можно задать, перечислив ее члены. Например,

3. Последовательность можно задать таблицей, в которой напротив каждого члена последовательности указывают его порядковый номер. Например.

4. Последовательность можно задать формулой, по которой можно найти любой член последовательности, зная его номер. Например, последова­тельность натуральных чисел, кратных 3, можно задать формулой последовательность чисел, обратных натуральным, — формулой Такие формулы называют еще формулами члена последовательности. Пусть последовательность задана формулой Подставляя вместо натуральные числа 1,2 ,3 …., получим:

Поэтому 2; 2; 0 ;….

5. Последовательность можно задать так: сначала указать первый или несколько первых членов последовательности, а потом — условие, по которому можно определить любой член последовательности, зная предыдущие. Такой способ задания последовательности называют рекуррентным. Например, найдем несколько членов последовательности первый член которой равен -1 , второй — -3 , а каждый последующий, начиная с третьего, равен произведению двух предыдущих. Получим:

Условия, определяющие эту последовательность, можно записать так: Формулу, при помощи которой любой член последовательности можно найти через предыдущие, называют рекуррентной формулой.

Рассмотренные выше последовательности являются числовыми последовательностями, так как их элементами являются числа. Существуют и другие последовательности. Например, последовательность передач на канале телевидения, последовательность футбольных команд в турнирной таблице и т. п.

В дальнейшем будем рассматривать только числовые последовательности.

Пример:

Записать шесть первых членов последовательности натуральных чисел, которые при делении на 3 дают остаток 2.

Решение:

Первым натуральным числом, которое при делении па 3 дает остаток 2, является число 2. Следующим является число 5 — оно на 3 больше 2, дальше 8 — на 3 больше 5 и т. д. Поэтому получим: 2; 5; 8; I I ; 14; 17.

Ответ. 2 ;5 ;8 ; 11; 14; 17

Пример:

Записать формулу -го члена последовательности натуральных чисел, которые больше 8 и при делении на 9 дают остаток 7.

Решение:

Первым натуральным числом, которое больше 8 и при делении на 9 дает остаток 7, является число 16. Его можно записать так: 16 = 9 •1 + 7 . Вторым будет число 25, которое можно записать гак: 25 = 9 • 2 + 7, третьим — 34 = 9 • 3 + 7 и т. д. Тогда формула -го члена искомой последовательности будет иметь вид: Ответ.

Пример:

Последовательность задана формулой Является ли членом этой последовательности число 6?

Решение:

Число 6 будет членом этой последовательности, если найдется такой номер что то есть Получаем уравнение: откуда Число не является натуральным, а поэтому не может быть номером члена последовательности. Следовательно, число 6 яв­ляется третьим членом заданной последовательности.

Ответ. Да.

Пример:

Записать три первых члена последовательности если

Решение:

При = 1 по формуле получим: При = 2 получим: Ответ. 2; 4; 10.

Арифметическая прогрессия и ее свойства

Среди числовых последовательностей важную роль играют последовательности, которые называют арифметической и геометрической прогрессиями.

Пример:

Группа туристов поднималась на гору в течение 4 ч. За первый час туристы прошли 2,5 км, а та каждый следующий — на 0,5 км меньше, чем за предыдущий. Какой путь проходили туристы за каждый час движения?

Решение:

За первый час туристы прошли 2.5 км. за второй — 2,5 — 0,5 = 2 (км), за третий — 2 — 0,5 = 1,5 (км), за четвертый — 1 км. Получили конечную последовательность чисел: 2,5; 2; 1,5; 1, в которой каждый последующий член, начиная со второю, равен предыдущему, сложенному с одним и тем же числом -0.5.

Пример:

3аписать последовательность натуральных чисел, которые при делении на 3 дают остаток 1.

Решение:

Получим: 1;4 ;7 ; 10; 13; 16; 19; 22 ;…. В этой последовательности любой член, начиная со второго, равен предыдущему, сложенному с одним и тем же числом 3. Каждая из рассмотренных последовательностей является примером арифметической прогрессии.

Определение:

Арифметической прогрессией называют последовательность, каждый член которой, начиная со второго, равен предыдущему члену, сложенному с одним и тем же числом.

Это число называют разностью арифметической прогрессии и обознача­ют буквой d (d — начальная буква латинского слова differentia — разность). Итак, если имеется арифметическая прогрессия то то есть для любого натурального выполняется равенство

Из определения арифметической прогрессии следует, что разность между любым ее членом, начиная со второго, и предыдущим членом равна одному и тому же числу — разности d, то есть Итак,

Верно и наоборот: если в некоторой числовой последовательности разность между любым ее членом, начиная со второго, и предыдущим членом равна одному и тому же числу, то такая последовательность является арифметической прогрессией.

Арифметические прогрессии могут быть конечными (пример 1) и беско­нечными (пример 2).

Чтобы задать арифметическую прогрессию, достаточно указать ее первый член и разность. Тогда каждый последующий член можно вычислить по предыдущему по рекуррентной формуле В таблице приведены примеры арифметических прогрессий для некоторых значений

Рассмотрим свойства арифметической прогрессии.

1. В арифметической прогрессии 1; 3; 5: 7; 9 ;… каждый член, начиная со второго, является средним арифметическим двух соседних с ним членов:

Покажем, что такое свойство имеет любая арифметическая прогрессия. Пусть имеется арифметическая прогрессия с разностью d. Тогда для натуральных значений выполняются равенства: Отсюда:

Свойство 1. Любой член арифметической прогрессии, начиная со второго, является средним арифметическим двух соседних с ним членов. С этим свойством арифметической прогрессии и связано ее название.

2. Рассмотрим конечную арифметическую прогрессию имеющую 7 членов: 3; 5; 7; 9; 11; 13; 15. Найдем сумму крайних членов прогрессии и суммы членов, равноотстоящих от крайних:

Сумма любых двух членов арифметической прогрессии, равноотстоя­щих от ее крайних членов, равна сумме крайних членов.

Используем эти соображения для произвольной конечной арифметической прогрессии с разностью Пусть Тогда:

Свойство 2. Сумма любых двух членов конечной арифметической прогрессии, равноотстоящих от ее крайних членов, равна сумме крайних членов этой прогрессии.

Пример:

Найти разность и третий член арифметической прогрессии

Решение:

В этой прогрессии Поэтому:

Ответ. 0.2; 1,4.

Пример:

Является ли последовательность чисел 3: 0: -3 : -6 ; -9 арифметической прогрессией?

Решение:

Обозначим члены заданной последовательности:

Найдем разность последующего и предыдущего членов последовательности:

Так как полученные разности равны одному и тому же числу — 3, то эта последовательность является арифметической прогрессией.

Пример:

Между числами 7 и 15 вставить такое число, чтобы все три числа образовали арифметическую прогрессию.

Решение:

Пусть — искомое число, тогда последовательность 7; х; 15 — арифметическая прогрессия. Второй член арифметической прогрессии является средним арифметическим первого и третьего членов: Ответ. 11 .

Формула n-го члена арифметической прогрессии

Чтобы задать арифметическую прогрессию, достаточно указать ее первый член и разность, а последующие члены можно найти по формуле

Например, найдем несколько первых членов арифметической прогрессии, в которой Получим:

Далее можно найти и т. д.

Чтобы найти член этой прогрессии с большим порядковым номером, например, нужно выполнить много вычислений. Поэтому вычисление членов арифметической прогрессии но формуле часто является неудобным. Найдем более краткий путь вычисления n-го члена арифметической прогрессии

По определению арифметической прогрессии получим:

Замечаем, что в этих формулах коэффициент при d на 1 меньше поряд­кового номера искомого члена прогрессии. Так, Итак, можем записать:

Полученную формулу называют формулой члена арифметической прогрессии.

Пример:

Найти девятый член арифметической прогрессии

Решение:

Имеем: Найдем разность прогрессии: Тогда Ответ. -1,4.

Пример:

Найти первый член арифметической прогрессии в которой

Решение:

Используя формулу -го члена арифметической прогрессии при = 8, получим: Отсюда Ответ. 107.

Пример:

Является ли число 181 членом арифметической прогрессии, в которой

Решение:

Число 181 будет членом прогрессии, если существует такое натуральное число — порядковый номер члена прогрессии, что Так как Решим полученное уравнение: Число 36.6 не является натуральным, поэтому число 181 не является членом данной арифметической прогрессии. Ответ. Нет.

Пример:

Найти первый член и разность арифметической прогрессии если сумма второго и пятого ее членов равна 20, а разность девятого и третьего членов равна 18.

Решение:

По условию имеем: Записав члены и по формуле -го члена арифметической прогрессии, получим систему уравнений:

Откуда

Ответ. 2.5;3 .

Формула суммы первых п членов арифметической прогрессии

Пример:

Найти сумму натуральных чисел от 1 до 100 включительно.

Решение:

Запишем суму данных чисел двумя способами: в порядке возрастания и в порядке убывания слагаемых и почленно сложим полученные равенства:

Суммы пар чисел, расположенных друг под другом в правых частях этих равенств, равны одному и тому же числу 101; таких нар 100. Поэтому

Отсюда

Итак, сумма всех натуральных чисел от 1 до 100 включительно равна 5050. Отметим, что последовательность натуральных чисел I; 2; …; 99: 100 является арифметической прогрессией в которой Используем рассмотренный способ для вывода формулы суммы первых членов любой арифметической прогрессии Запишем:

Сложим почленно эта равенства, получим:

По свойству 2 арифметической прогрессии сумма каждых двух членов, взятых в скобки, равна Таких сум есть поэтому:

Отсюда

Если в этой формуле вместо подставить выражение то получим:

Итак,

Формулы (1) и (2) называют формулами суммы первых членов арифметической прогрессии.

Пример:

Найти сумму первых девяти членов арифметической прогрессии

Решение:

1-й способ. Имеем: Найдем По формуле (1) находим:

2-й способ. Зная, что по формуле (2) находим:

Ответ. 171.

Пример:

Найти сумму нечетных натуральных чисел, не превышающих 71.

Решение:

Нечетные натуральные числа образуют арифметическую прогрессию 1; 3: 5;……. в которой Найдем, какой порядковый номер имеет член 71 этой прогрессии: Следовательно, нужно искать сумму первых тридцати шести членов прогрессии. Имеем:

Ответ. 1296.

Пример:

Найти сумму натуральных чисел не больше 105, которые при делении на 9 дают остаток 1.

Решение:

Натуральные числа, которые при делении на 9 дают остаток 1, образуют арифметическую прогрессию в которой Найдем, сколько членов этой прогрессии не превышают 105. Для этого решим неравенство

Следовательно, нужно искать сумму первых двенадцати членов про­грессии. Имеем: Ответ. 606.

Пример:

Найти первый член арифметической прогрессии если сумма второго и двенадцатого ее членов равна 20.4, а сумма первых одиннадцати— 121.

Решение:

По условию имеем: Используя формулы -по члена и суммы первых членов арифметической прогрессии, получим систему уравнений Отсюда:

Ответ. 15.

Пример:

Сколько нужно взять первых членов арифметическом прогрессии в которой чтобы их сумма равнялась 90?

Решение:

Используя формулу суммы первых членов арифметической прогрессии получим: Корень не удовлетворяет условию задачи. Следовательно, = 12. Ответ. 12.

Геометрическая прогрессия и ее свойства

В благоприятных условиях некоторые бактерии размножаются так, что их количество удваивайся каждые 30 минут. Поэтому, если первоначально была одна бактерия, то их будет:

• через 0,5 ч 2
• через I ч 4
• через 1,5 ч 8
• через 2 ч 16
• …………………..

Во втором столбце получили последовательность чисел: 2: 4; 8; 16; каждый член которой, начиная со второго, равен предыдущему, умноженному на число 2. Такая последовательность является примером геометрической прогрессии.

Определение:

Геометрической прогрессией называют последовательность отличных от нуля чисел, каждый член которой, начиная со второго, равен предыдущему, умноженному на одно и то же число.

Это число называют знаменателем геометрической прогрессии и обо­значают буквой q (начальная буква французского слова qwoti — частное). Итак, если имеем геометрическую прогрессию то сеть для любого натурального выполняется равенство

Из определения геометрической прогрессии следует, что частное от деления любого ее члена, начиная со второго, на предыдущий член равно одному и тому же числу — знаменателю то есть: Итак, Верно и наоборот: если в некоторой последовательности частное от деления любого ее члена, начиная со второго, на предыдущий член равно одному и тому же числу, то такая последовательность является геометрической прогрессией. Геометрические прогрессии, как и арифметические, мотут быть конечными и бесконечными.

Чтобы задать геометрическую прогрессию, достаточно указать ее первый член и знаменатель. Тогда каждый последующий член по предыдущему можно вычислить по рекуррентной формуле

В таблице прицелены примеры геометрических прогрессий для некоторых значений

Рассмотрим свойства геометрической прогрессии.

1. В геометрической прогрессии 1; 3: 9, 27; 81;… квадрат каждого члена, начиная со второго, равен произведению двух соседних с ним членов:

Покажем, что такое свойство имеет любая геометрическая прогрессия. Пусть имеется геометрическая прогрессия со знаменателем q. Тогда при выполняются равенства: Отсюда

Свойство 1

Квадрат любого члена геометрической прогрессии, начиная со второго, равен произведению двух сосед­них с ним членов.

Если все члены геометрической прогрсссии являются положительными числами, то из равенства следует, что Следовательно, каждый член такой прогрессии, начиная со второго, является средним геометрическим .двух соседних с ним членов. С этим свойством геометрической профессии и связано ее название.

2. Рассмотрим конечную геометрическую прогрессию содержащую шесть членов: -1:2; 4; 8; -16:32. Найдем произведение крайних членов этой прогрессии и произведение членов, равноотстоящих от крайних:

Видим, что произведения членов профессии, равноотстоящих от ее крайних членов, одинаковы и равны произведению крайних членов.

Используем эти соображения для произвольной конечной геометрической прогрессии Пусть Тогда:

Свойство 2

Произведение любых двух членов конечной геометрической прогрессии, равноотстоящих от ее крайних членов, равно произведению крайних членов.

Пример:

Найти знаменатель и третий член геометрической npoгpеcсии

Решение:

В этой прогрессии Поэтому:

Ответ. 1,5; 2,25.

Пример:

Доказать, что последовательность является геометрической профессией.

Решение:

Обозначим члены последовательности: Найдем частные от деления последующего члена последовательности на предыдущий:

Так как полученные частные равны одному и тому же числу то данная последовательность является геометрической прогрессией со знаменателем

Пример:

Найти второй член геометрической прогрессии:

Решение:

Согласно свойству 1 геометрической прогрессии Отсюда — 10 или = -10. Ответ 10 или-10.

Формула n-го члена геометрической прогрессии

Чтобы задать геометричсскую прогрессию достаточно указать ее первый член и знаменатель, а следующие члены можно найти по формуле Например, запишем несколько первых членов геометрической прогрессии, в которой

Далее можно найти и т. д. Чтобы найти член этой прогрессии с большим порядковых! номером, на­пример, нужно выполнить мною вычислений. Поэтому вычисление членов геометрической прогрессии по формуле часто является неудобным. Найдем более краткий путь вычисления -го члена геометрической прогрессии со знаменателем q. По определению геометрической прогрессии имеем:

Замечаем, что в этих формулах показатель степени числа q на единицу меньше порядкового номера искомого члена прогрессии. Так, Итак, можем записать:

Полученную формулу называют формулой -го члена геометрической прогрессии.

Пример:

Найти шестой член геометрической прогрессии

Решение:

Имеем: Тогда Ответ. 6250.

Пример:

Найти первый член геометрической прогрессии если

Решение:

Используя формулу при = 7, получим:

Ответ. 0,5

Пример:

Найти знаменатель геометрической прогрессии в кото­рой

Решение:

Используя формулу -го члена геометрической прогрессии, получим: Отсюда:

Ответ. -3 или 3.

Формула суммы первых n членов геометрической прогрессии

Пусть — геометрическая прогрессия, знаменатель которой равен Обозначим через сумму первых членов этой профессии. то есть

(1)

Умножив обе части этого равенства на q получим:

Пo определению геометрической прогрессии: Тогда:

(2)

Вычтем почленно из равенства (1) равенство (2), получим:

Если , то

(3)

Учитывая, что получим Итак,

(4)

Формулы (3) и (4) называют формулами суммы первых членов геометрической прогрессии. При каждый член геометрической прогрессии равен поэтому

Пример:

Найти сумму восьми первых членов геометрической прогрессии

Решение:

Имеем : Тогда но формуле находим:

Ответ. -255.

Пример:

Найти первый член геометрической прогрессии если четвертый ее член в три раза больше третьего, а сумма первых пяти членов равна -12,1.

Решение:

Так как По условию поэтому:

Ответ. -0,1.

Сумма бесконечной геометрической прогрессии, в которой [q] меньше 1

Сумма бесконечной геометрической прогрессии, в которой

Пусть стороны прямоугольника равны I см и 4 см (рис. 74). Его площадь равна

Найдем площадь этою прямоугольника иначе. Отрезком MN. соединяющим середины противоположных сторон ВС и прямоугольника, разделим его пополам. Площади образованных прямоугольников и равны по каждая. Образованный справа прямоугольник снова разделим пополам, соединив середины противоположных сторон. Площади образованных прямоугольников NMKP и PKCD равны по 1 см² каждая. Аналогично образованный прямоугольник снова разделим пополам отрезком на два прямоугольника с площадями по и т.д.

Найдем сумму площадей прямоугольников и т.д. Числовое значение суммы площадей этих прямоугольников равно суме чисел Последовательность является бесконечной геометриче­ской профессией, первый член которой равен 2, а знаменатель — Найдем сумму первых членов этой прогрессии:

Если число слагаемых суммы неограниченно увеличивается, то значение дроби приближается к нулю, а разность приближается к числу 4, говорят: стремится к числу 4. Число 4 называют суммой бесконечной геометрической прогрессии и записывают

Итак, сумма площадей прямоугольников ABMN, NMKP, PKTS и т. д. равна 4 см², то есть равна площади прямоугольника ABCD. Обобщим рассмотренный пример. Пусть . — любая бесконечная геометрическая прогрессия, в которой Сумму первых членов этой прогрессии вычисляют по формуле Преобразуем выражение в правой части последнего равенства: Так как то при неограниченном увеличении множитель стремится к нулю, а значит, к нулю стремится и произведение Тогда сумма , стремится к числу Число называют суммой бесконечной геометрической прогрессии со знаменателем и записывают: Обозначим эту сумму через S. Тогда

Полученную формулу называют формулой суммы бесконечной геометрической прогрессии, в которой

Пример:

Найти сумму бесконечной геометрической прогрессии 6: — 2 ; ..

Решение:

По условию Тогда Имеем геометрическую прогрессию, в которой По формуле находим:

Ответ. 4,5.

Решение задач, связанных с арифметической и геометрической прогрессиями

Вычисление сумм

Изучая арифметическую и геометрическую прогрессии, мы вычисляли суммы первых их членов. Известно также, как найти сумму бесконечной геометрической прогрессии со знаменателем Однако существуют задачи, решая которые приходится искать суммы чисел, не об­разующих ни арифметическую, ни геометрическую прогрессии. Такие суммы иногда можно найти, преобразовав определенным образом их слагаемые.

Пример 1. Найти сумму

Решение:

Обозначим эту сумму через и запишем ее так:

В первых скобках записана сумма членов арифметической прогрессии в которой Найдем, каким но счету членом этой прогрессии является число 13:

Итак, в первых скобках записана сумма первых семи членов арифметической прогрессии. Во вторых скобках записана сумма первых семи членов геометрической прогрессии в которой Используя формулы суммы первых членов арифметической и геометрической прогрессий, находим:

Ответ:

Обращение бесконечных периодических десятичных дробей в обыкновенную дробь

Рассмотрим пример.

Пример:

Записать число 0,(7) в виде обыкновенной дроби.

Решение:

Бесконечную десятичную дробь 0,(7) = 0,777… запишем в виде такой суммы: 0,(7) = 0.7 + 0,07 + 0,007 + …. Слагаемые 0,7; 0,07; 0.007;… — члены бесконечной геометрической прогрессии с первым членом 0,7 и знаменателем Сумма этой прогрессии: Поэтому

Ответ:

Решение уравнении

Рассмотрим пример.

Пример:

Решить уравнениев котором коэффициенты 4 ,7 . …, 25 образуют арифметическую прогрессию.

Решение:

Запишем уравнение так:

В скобках записана сумма первых членов арифметической прогрессии. в которой Найдем количество членов. Пусть число 25 является ее -м членом. По формуле -го члена 25 = 4 + ( -1 )-3, откуда получим:

Итак, в скобках записана сумма первых 8 членов арифметической прогрессии. Тогда получим:

Ответ. 2,5.

Пример:

Записать число 3.1(23) в виде обыкновенной дроби.

Решение:

Число 3.1(23) = 3,12323… запишем в виде такой суммы:

Слагаемые 0,023; 0,00023; … — члены бесконечной геометрической прогрессии с первым членом 0,023 и знаменателем Сумма этой прогрессии равна: Поэтому

Ответ:

Пример:

Решить уравнение:

Решение:

Запишем уравнение в виде:

Во вторых скобках записана сумма первых членов арифметической про­грессии. в которой Найдем Пусть число 71 является ее -м членом. По формуле -го члена откуда = 36. Учитывая, что в первых скобках записана сумма тридцати шести слагаемых, каждый из которых равен получим:

Ответ. 1; 35.

Пример:

Найти сумму

Решение:

Обозначим данную сумму через S. Записав слагаемые в виде и т. д., получим:

В скобках записана сумма первых членов геометрической прогрессии в которой Поэтому:

Ответ.

ИНТЕРЕСНО ЗНАТЬ

Слово «прогрессия» происходит от латинского слона «prcigrcssio» и значит «движение вперед» (как и слово «прогресс»). Впервые этот термин встре­чается в работах римского ученого Боэция (V -V I в.). Прогрессии как частные виды числовых последовательностей встречаются в папирусах II тысячелетия до н. э. Первые задачи на прогрессии, дошедшие до нас, связаны с хозяйственной деятельностью, а именно — с рас­пределением продуктов, разделом наследства и т. п. Древнейшей задачей на прогрессии считают задачу из египетского папируса Ахмеса Райнда о распределении 100 мер хлеба между пятью людьми так, чтобы второй получил на столько больше первого, на сколько третий получил больше второго и т. д. В этой задаче речь идет об арифметической прогрессии, сумма первых пяти членов которой равна 100. В одной из задач этого папируса представлена формула первого члена арифметической прогрессии, которую в современной символике записывают так:

где а — первый член, — число членов, S — сума первых членов, d — разность прогрессии. Убедитесь, что эта формула верна. С вычислением суммы членов арифметической прогрессии связана такая интересная история. У известною немецкого математика Карла Гаусса (1777-1875) еще в школе обнаружились блестящие математические способности. Как-то учитель предложил ученикам найти сумму первых ста натуральных чисел. Едва он успел прочитать условие задачи, как маленький Гаусс поднял руку: «Готово». Весь класс был поражен скоростью, с которой он провел подсчет. Как считал Гаусс? Издавна большой популярностью пользуется задача-легенда, которая относится к началу нашей эры. Индийский царь Шерам позвал к себе изобретателя игры в шахматы, своего подданного Сету, чтобы наградить его за изобретение. Когда изобретателю предложили самому выбрать награду, он попросил за первую клетку шахматной доски дать ему 1 зерно пшеницы, за вторую — 2 зерна, за третью — 4 и т.д . Оказалось, что царь не смог выполнить просьбу Сеты. За последнюю, 64-ю, клетку шахматной доски пришлось бы отдать зерен пшеницы, а за все клетки количество зерен, равное сумме членов геометрической прогрессии: Эта сумма равна Такое количество зерен пшеницы можно собрать с плошали, приблизительно в 2000 раз больше площади всей поверхности Земли.

————

Числовые последовательности

♦ Множество чисел в котором каждое число имеет свой номер называется числовом последовательностью. То есть, числовая последовательность это функция определенная во множестве натуральных чисел. Например

♦ Числа, образующие последовательность, называются соответственно первым, вторым, третьим, четвертым и т.д. членами последовательности. Члены последовательности, обычно обозначаются буквами, индекс буквы показывает порядковый номер члена. Например, первый член второй член -ый член и т.д. Сама последовательность обозначается: и т.д.

♦ Последовательности бывают конечные и бесконечные. Например, множество двузначных чисел может быть примером конечной последовательности. А последовательность натуральных чисел — бесконечна.

♦ Обычно последовательность задают с помощью формулы определящей функцию -ro члена последовательности от номера . Такую формулу называют формулой -го члена последовательности.

Например: — последовательность четных чисел.Любой член этой последовательности можно найти по формуле 10-ый член последовательности:

Наблюдается взаимосвязь многих природных явлений с последовательностью Фибоначчи.

Фибоначчи родился в итальянском городе Пиза: Его произведение «Книга вычислений» (Liber Abaci) оказала огромное влияние на распространение математических знаний в Европе, служила учебником — справочником европейских ученых. Особенно неоценима его роль в быстром распространении в Европе индийско-арабской десятичной системы. В то время в Европе при записи и вычислениях пользовались Римскими цифрами. В этом произведении Фибоначчи также уделил большое внимание задаче о размножении кроликов, которая дает последовательность чисел 1,1, 2, 3, 5, 8, 13, 21,… Для членов этого ряда (при ) верно Продолжите ряд Фибоначчи для последующих трех шагов.

Рекуррентный и экспилитический способы задания последовательности

Формула, выражающая любой член последовательности, начиная с некоторого, через один или несколько предыдущих членов называется рекуррентной формулой, (от латинского слова recirro — возвращаться). Например, в последовательности при , то — рекуррентная формула и по этой формуле можно продолжить последовательность. Во многих случаях последовательность задается формулой, выражающей -ый член номером этого члена. Способ задания последовательности формулой -го члена называется экспилитическим способом.

Например,

Арифметическая прогрессия, рекуррентное правило

Определение. Числовая последовательность, в которой каждый член, начиная со второго равен предыдущему, сложенному с одним и тем же для данной последовательности числом называется арифметической прогрессией. То есть арифметическая прогрессия — это такая последовательность, в которой Здесь — постоянная для данной последовательности число. Число называют разностью арифметической прогрессии. Из определения следует, что равенство справедливо для любого натурального числа . В частных случаях, Арифметическая прогрессия с -ым членом символически обозначается . Для того чтобы задать арифметическую прогрессию, достаточно показать его первый член и разность. Арифметическая прогрессия задается с рекуррентным соотношением

Пример 1. Определите, какие из последовательностей являются арифметической прогрессией.

а) последовательность — арифметическая прогрессия, потому что разность между двумя соседними членами остается постоянной

b) последовательность не является арифметической прогрессией, потому что разность между двумя соседними членами меняется

Разность арифметической прогрессии может быть положительным, отрицательным числом или нулем. При начиная со второго каждый член будет больше предыдущего (возрастающая последовательность), а при — меньше предыдущего (убывающая последовательность)

Пример 2. а) При соответствующая арифметическая прогрессия будет : 2; 5; 8; 11; 14; 17; … Рекуррентная формула этой прогрессии будет:

b) При условии арифметическая прогрессия будет: 11; 7; 3; 1; 5; … Рекуррентная формула этой прогрессии будет:

При все члены будучи равными одному числу (1-му члену) образуют стационарную последовательность. Например, 5; 5; 5; …

Формула n-го члена арифметической прогрессии

Каждый член арифметической прогрессии равен предыдущему, сложенному с одним и тем же для данной последовательности числом. Согласно этому правилу:

По этому правилу можно записать:

Формула является формулой -го члена арифметической прогрессии.

Пример 1. В арифметической прогрессии найдем

Отметим, что можно было бы вычислить и нижеуказанным способом:

Вообще, , то есть верно равенство,

Отсюда, получаем формулу для разности прогресии:

Пример 2. В арифметической прогрессии

Решение:

Замечание. Переписав формулу в виде можно сделать вывод: любая прогрессия задается формулой здесь любые числа.

Арифметическая прогрессия и среднее арифметическое

Свойство. Любой член арифметической прогрессии, начиная со второго, равен среднему арифметическому соседних с ним членов.

Действительно, из получается

Так как в общем случае, то верно равенство:

Это свойство можно обобщить таким образом. Каждый член арифметической прогрессии (начиная со второго) равен среднему арифметическому равноудаленных от него членов:

Это свойство поясняет причину названия арифметической прогрессии. Верно и обратное. Если любой член последовательности, начиная со второго, равен среднему арифметическому предыдущего и последующего членов, то эта последовательность является арифметической прогрессией.

В конечной арифметической прогрессии сумма членов, расположенных на одинаковом расстоянии от концов, равна сумме крайних членов.

В общем, если

Сумма n-первых членов арифметической прогрессии

Обозначим через сумму -первых членов любой арифметической прогрессии.

Попарные суммы и т.д равны между собой, гак как в конечной арифметической прогрессии сумма членов, расположенных на одинаковом расстоянии от концов, равна сумме крайних членов. Всего таких пар , поэтому а отсюда получим:

Сумма -первых членов конечной арифметической прогрессии равна произведению полусуммы крайних членов на число членов этой прогрессии. Так как: Тогда формулу суммы членов арифметической прогрессии можно написать в виде:

Пример 1. Найдите сумму 12-ти первых членов арифметической прогрессии заданной формулой .

Решение:

Пример 2. Найдите сумму 10-ти первых членов арифметической прогрессии 3; 5; 13;… .

Решение.

Пример 3. В зале заседаний 30 рядов. В первом ряду 24 места, а в каждом следующем ряду на одно место больше, чем в предыдущем. Сколько всего мест в зале?

Решение:

В последнем ряду: места. Всего в 30-ти рядах:

Пример 4. Сколько членов арифметической прогрессии 5; 7; 9… нужно сложить, чтобы получить 320 ?

Решение:

Так как количество членов не может быть отрицательным, то сумма 16-ти первых членов этой прогрессии равна 320. Перепишем сумму первых членов арифметической прогрессии в следующем виде:, обозначая получаем, что сумму -первых членов любой арифметической прогрессии можно также записать в виде: Можно считать арифметическую прогрессию заданной, если известна

Пример 5. Найдем первый член и разность арифметической прогрессии, сумма -первых членов которой задана формулой

Решение:

Внимание! При решении некоторых задач для определения пользуются формулой .

Члены геометрической прогрессии, рекуррентное правило

Определение. Геометрической прогрессией называется числовая последовательность, члены которой отличны от нуля, а каждый член, начиная со второго, равен предыдущего члену, умноженному на одно и то же, не равное нулю, число. То есть если для любого натурального числа будет выполнено условие: и то последовательность будет геометрической прогрессией. Число называется знаменателем геометрической прогрессии. Геометрическая прогрессия символически обозначается . Формула является представлением геометрической прогрессии по рекуррентному правилу. Из определения следует, что для любого натурального числа справедливо равенство: . В частности,

Пример 1. а) Если , то получится геометрическая прогрессия 2, 6, 18, 54, 162,…; b) Если , то получится геометрическая прогрессия 3, 6, 12, 24,48,… . При члены геометрической прогрессии имеют одинаковый знак. При знаки членов прогрессии чередуются. При получается стационарная последовательность.

Пример 2. Какая из данных числовых последовательностей геометрическая прогрессия?

а) 4, 12, 22, 34, 48; b) 625, 125, 25, 5, 1.

Отношение каждого члена геометрической прогрессии на предыдущий всегда остается постоянной. Проверим это условие для обеих прогрессий.

а) Условие не выполняется, последовательность не является геометрической прогрессией.

b) Условие выполняется, это последовательность — геометрическая прогрессия.

Формула n-го члена геометрической прогрессии

Вообще, чтобы в геометрической прогрессии найти нужно перемножить то есть

Это выражение называется формулой -го члена геометрической прогрессии. Для того чтобы задать геометрическую прогрессию, достаточно знать его первый член и знаменатель.

Пример 1. Если в геометрической прогрессии найдем и

Указание. Можно было бы вычислить следующем способом

Вообще, справедливо равенство,

Пример 2. Найдем если в геометрической прогрессии

Решение: отсюда и

Заключение: Если известны какие-либо два члена, то можно задать геометрическую прогрессию, -ый член геометрической прогрессии можно найти другим путем. По определению:

Если перемножить почленно эти равенства, получим:

Сократив одинаковые члены в левой и правой частях, получим формулу

Заключение: Записав и обозначив становится ясным, что любую геометрическую прогрессию можно задать формулой (Здесь -какое-либо число отличное от нуля, — знаменатель прогрессии).

Члены геометрической прогрессии и среднее геометрическое

В геометрической профессии с положительными членами, начиная со второго, каждый член равен среднему геометрическому соседних с ним членов. Это свойство поясняет причину названия геометрической прогрессии. Например, в последовательности, 2, 6, 18, 54, 162,… число 18 является средним геометрическим 6 и 54. Среднее геометрическое-можно ясно увидеть, записывая отношения, выражающие знаменатель профессии. Из определения геометрической прогрессии получатся равенства:

.

Взяв попарно эти равенства, получим: , Это свойство можно задать в более общем виде. В геометрической прогрессии, начиная со второго, квадрат любого члена равен произведению равноудаленных членов последовательности, то есть Для геометрической прогрессии с положительными членами это свойство можно записать в виде:

Еще одно свойство членов геометрической профессии: Если то верно равенство

Сумма n-первых членов геометрической прогрессии

Обозначим через сумму -первых членов геометрической прогрессии:

При , все члены равны Рассмотрим случай когда .

Умножим обе части (1 )-го равенства на :

Отнимем от (2)-го равенства (1)-е. Получим:

Отсюда S

(3)-я формула называется формулой -первых членов геометрической прогрессии. Так как , то для можно записать:

Пример. В геометрической прогрессии Найдите сумму первых шести членов.

Решение. Отсюда

Из формулы выразим

Тогда

Сумма бесконечной геометрической прогрессии при

Если число членов геометрической прогрессии бесконечно, то ее называют бесконечной геометрической профессией. Преобразуем формулу суммы — первых членов геометрической прогрессии следующим образом.

Если, то с бесконечным ростом множитель , а значит и приближаются к нулю. Поэтому с ростом до бесконечности сумма приближается к числу . Число при называется суммой бесконечной геометрической прогрессии.

Если обозначить эту сумму через то получим: .

Пример. Примените формулу суммы бесконечной геометрической профессии в преобразовании периодической дроби в обыкновенную.

Так как то по формуле суммы бесконечной геометрической прогрессии

Геометрические преобразования. Движение

Параллельный перенос

При параллельном переносе точки смещаются по параллельным (или совпадающим) прямым на одно и тоже расстояние и фигура переходит в фигуру конгруэнтную себе. Треугольник изображенный на рисунке получен параллельным переносом из треугольника . Здесь

В координатной плоскости каждая точка данного треугольника перемещена на 4 единицы направо, и на 5 единиц вниз.

Применяя формулу расстояния между двумя точками, получим: По признаку конгруэнтности

При параллельном переносе фигуры произвольная точка переходит в точку и между координатами этих точек справедливо равенство:

На координатной плоскости при параллельном переносе перемещение по осям координат направо и наверх выражаегся положительными, налево и вниз отрицательными единицами. Это определяется числами и . При параллельном переносе расстояние между двумя точками не меняется.

Действительно, при параллельном переносе произвольные точки переходят в точки Отсюда Значит, при параллельном переносе сохраняется расстояние.

Координаты середины отрезка

Координаты середины отрезка будут такими же (проверьте сами).

Значит, диагонали четырехугольника пересекаются и точкой пересечения делятся пополам. То есть, этот четырехугольник параллелограмм. А у параллелограмма противоположные стороны параллельны. При параллельном переносе прямая переходит в параллельную прямую (или в саму себя). Если при переходе одной фигуры в другую расстояния между точками сохраняются, то такое преобразование называется движением. Параллельный перенос это движение.

• Заказать решение задач по высшей математике

Параллельный перенос и векторы

Каждый параллельный перенос определяет один вектор. То есть при параллельном переносе перемещение всех точек фигуры выполняется по одному вектору. Выражение параллельного переноса вектором упрощает запись. Компоненты вектора показывают изменения координат точек относительно осей и

На картине изображен параллельный перенос на вектор . Воспользуясь компонентами вектора, можно определить перемещение фигуры. Все точки треугольника перемещаясь на длину вектора переходят в точки треугольника

Длина вектора

Движение и конгруэнтные фигуры

Пусть каждой точке фигуры противопоставлена определенная точка плоскости. Множество таких точек образует фигуру . В этом случае говорят, что фигура получена преобразованием фигуры . Плоскость так же является геометрической фигурой. При преобразовании плоскости произвольная точка переходит в точку этой же плоскости и причем каждая точка преобразуется в определенную точку. Если при преобразовании одной фигуры в другую расстояние между точками сохраняется, то все геометрические свойства фигуры сохраняются и фигура преобразуется в конгруэнтную фигуру. Такие преобразования называются движением. Результат последовательных движений также является движением.

Теорема. При движении отрезок преобразуется в отрезок.

Доказательство. Пусть при движении концы отрезка переходят соответственно в точки и . Докажем, что отрезок переходит в отрезок . На отрезке берем произвольную точку Пусть точка преобразуется в точку . Так как при движении расстояния между точками сохраняются Отсюда А это значит, что точка находится на отрезке , то есть точка отрезка переходит в точку отрезка , и наоборот в точку переходит точка отрезка , удовлетворяющее условию Теорема доказана.

Следствие. При движении каждая сторона треугольника переходит в конгруэнтный отрезок, и поэтому по признаку треугольник преобразуется в конгруэнтный треугольник. При движении прямая переходит в прямую, отрезок в отрезок и угол между полупрямыми сохраняется. При таких преобразованиях как параллельный перенос, центральная симметрия, осевая симметрия, поворот, фигура переходит в конгруэнтную фигуру. Исследуем это при помощи оси симметрии (отражения).

Теорема. Осевая симметрия (отражение) есть движение.

На рисунке изображено отражение отрезка относительно прямой . По расположению отрезка и прямой возможны 4 различных случая.

Докажем теорему для первого случая:

Текстовое доказательство

В этом случае точки и лежат по одну сторону от прямой .

Из определения отражения следует, что, так как отрезок — серединный перпендикулярный отрезков , то и Тогда по признаку Так как у конгруэнтных треугольников соответственные стороны конгруэнтны, то Теорема доказана.

——

Числовые последовательности

В этой лекции вы:

Пример №356

Запишем в порядке возрастания четные натуральные числа: 2; 4; 6; 8; 10; … .

Получим последовательность четных натуральных чисел. На первом месте в ней число 2, на втором — число 4, на пятом — 10. Если и далее записывать четные натуральные числа, то, например, на десятом месте окажется число 20, на сотом — число 200. Вообще, для любого натурального числа можно указать натуральное четное число, стоящее на месте. Этим числом будет .

Числа, образующие последовательность, называют соответственно первым, вторым, третьим, четвертым и т. д. членами последовательности. Члены последовательности принято обозначать буквами с индексами, указывающими порядковый номер члена последовательности. Например: , , , , … (читают: « первое, второе, третье, четвертое» и т. д.). В нашем примере , … . Член последовательности с номером называют членом последовательности и обозначают . Саму последовательность принято обозначать .

Рассмотрим два соседних члена последовательности с номерами и , а именно и . Член называют следующим за , а член — предыдущим к .

Поскольку в последовательности четных натуральных чисел на месте стоит число , то можем записать, что . Таким образом, имеем формулу члена последовательности четных натуральных чисел.

Эта последовательность содержит бесконечное число членов. Такую последовательность называют бесконечной. В записи бесконечной последовательности после перечисления нескольких ее первых членов ставят многоточие. Если же последовательность содержит конечное число членов, то ее называют конечной.

Пример №357

Последовательность двузначных натуральных чисел 10; 11; 12; …; 98; 99 является конечной. Она содержит 90 членов и может быть задана формулой члена: .

Зная формулу члена последовательности, можем найти любой ее член.

Пример №358

Последовательность задана формулой . Найдем несколько ее членов: — первый член, — седьмой, — двадцатый, — сотый.

Формула члена является достаточно удобным, но не единственным способом задания последовательности.

Пример №359

Конечную последовательность можно задать перечислением ее членов. Например, .

Пример №360

Последовательность можно задать описанием ее членов. Например, последовательность натуральных делителей числа 18, записанных в порядке возрастания, выглядит так: 1; 2; 3; 6; 9; 18.

Пример №361

Конечную последовательность можно задать и в виде таблицы. Например:

Последовательность можно задавать, указав первый или несколько первых членов последовательности, а затем — формулу, позволяющую найти остальные члены последовательности через предыдущие. Такую формулу называют рекуррентной, а способ задания последовательности — рекуррентным.

Пример №362

Пусть первый член последовательности равен 2, а каждый следующий равен квадрату предыдущего, то есть . Тогда по известному первому члену можно найти второй: , по известному второму можно найти третий: и так далее.

Получим последовательность: 2; 4; 16; 256; 65 536; … .

Пример №363

Найдем третий, четвертый и пятый члены последовательности , заданной рекуррентно: , .

Получим:

Последовательности, рассмотренные выше, являются числовыми последовательностями, так как состоят из чисел. Иногда рассматривают последовательности, членами которых являются выражения, функции и т. п. В дальнейшем будем рассматривать только числовые последовательности.

Математики уже очень давно занимаются изучением числовых последовательностей. Понятие числовой последовательности возникло и развилось задолго до создания учения о функции. Вот примеры бесконечных числовых последовательностей, известных еще в древности:

1. 1, 2, 3, 4, 5,… — последовательность натуральных чисел;
2. 2, 4, 6, 8, 10,… — последовательность четных чисел;
3. 1, 3, 5, 7, 9,… — последовательность нечетных чисел;
4. 1,4,9,16,25,… — последовательность квадратов натуральных чисел;
5. 2, 3, 5, 7, 11,… — последовательность простых чисел;
6. — последовательность чисел, обратных натуральным.

Для всех этих последовательностей, кроме пятой, можно записать формулу члена. Для последовательности простых чисел формула члена не была известна древним математикам… Нет ее и поныне!

Одной из наиболее известных является числовая последовательность, которую называют последовательностью Фибоначчи в честь итальянца Л. Пизанского (Фибоначчи) (ок. 1170 — ок. 1250). Он первым рассмотрел последовательность чисел, два первых члена которой — единицы и каждый член которой, начиная с третьего, равен сумме двух предыдущих:

1; 1; 2; 3; 5; 8; 13; 21; 34; 55; 89; 144 ….

Лишь несколько веков спустя была найдена формула члена последовательности Фибоначчи:

Арифметическая прогрессия, ее свойства. формула n-го члена арифметической прогрессии

Рассмотрим числовую последовательность, первый член которой равен 4, а каждый следующий, начиная со второго, равен предыдущему, сложенному с числом 3:

Такую последовательность называют арифметической прогрессией.

Последовательность, каждый член которой, начиная со второго, равен предыдущему, сложенному с одним и тем же числом, называют арифметической прогрессией.

Это число называют разностью арифметической прогрессии и обозначают буквой (от начальной буквы латинского слова differentia — разность). Значит, если — арифметическая прогрессия, то имеют место равенства:

Таким образом, для любого натурального получим равенство:

Тогда: то есть

разность арифметической прогрессии можно найти, если от любого члена прогрессии, начиная со второго, отнять предыдущий.

Пусть первый член арифметической прогрессии равен , а ее разность равна . Тогда:

Заметим, что в каждой из полученных формул коэффициент у разности на 1 меньше порядкового номера члена прогрессии, для которого записана эта формула. Действительно, чтобы найти , имея и , нужно раз прибавить к число , то есть к прибавить . Таким образом:

Получили формулу члена арифметической прогрессии.

Рассмотрим несколько примеров применения этой формулы.

Пример №364

Последовательность — арифметическая прогрессия, . Найти двадцатый член этой последовательности .

Решение:

Ответ. 25,2.

Пример №365

Принадлежит ли арифметической прогрессии 7; 10; 13; … число: 1) 82; 2) 102?

Решение:

В данной прогрессии , , тогда . Запишем формулу члена этой прогрессии: , то есть .

1) Допустим, число 82 является членом прогрессии . Тогда существует такое натуральное число , что , то есть . Имеем уравнение: , откуда получим, что .

Следовательно, число 82 является двадцать шестым членом арифметической прогрессии, то есть .

2) Рассуждая аналогично, имеем: , откуда .

Полученное число не является натуральным, а значит, арифметическая прогрессия числа 102 не содержит.

Ответ. 1) Да; 2) нет.

Пример №366

Кубики сложены рядами так, что в верхнем ряду 4 кубика, а в каждом следующем ниже ряду — на одно и то же количество кубиков больше, чем в предыдущем. Известно, что в шестом ряду 14 кубиков. Сколько кубиков в третьем ряду?

Решение:

Так как в каждом следующем ряду на одно и то же количество кубиков больше, чем в предыдущем, то числа, равные количеству кубиков в рядах, образуют арифметическую прогрессию, в которой , следовательно, нам нужно найти .

Для начала найдем разность этой прогрессии. Из формулы члена получим уравнение: , откуда .

Теперь, зная значение , найдем :

Следовательно, в третьем ряду 8 кубиков.

Заметим, что найти можно было и без использования уравнения, например выразив из формулы 6-го члена прогрессии. Действительно, поскольку , то

Ответ. 8 кубиков.

Докажем несколько важных свойств арифметической прогрессии.

1. Любой член арифметической прогрессии, начиная со второго, является средним арифметическим двух соседних с ним членов, то есть

Доказательство: Используем формулу члена арифметической прогрессии, тогда:

По одной из версий именно с этим свойством арифметической прогрессии связано ее название.

2. Любой член арифметической прогрессии, начиная со второго, является средним арифметическим двух равноудаленных от него членов, то есть

Свойство доказывается аналогично предыдущему свойству.

3. Если и — натуральные числа и , то .

Доказательство: Используем формулу члена, тогда:

Но , поэтому , то есть .

4. Любую арифметическую прогрессию можно задать формулой , где и — некоторые числа.

Доказательство: По формуле члена имеем:

Обозначив , получим: .

5. Последовательность , заданная формулой вида , где и — некоторые числа, является арифметической прогрессией.

Доказательство: Рассмотрим разность и членов этой последовательности:Получим, что для любого имеет место равенство . Следовательно, последовательность () является арифметической прогрессией, разность которой равна .

Первые представления об арифметической прогрессии появились еще до нашей эры. В древнеегипетском папирусе Ахмеса (II тыс. до н. э.) есть такая задача: «Тебе сказано: раздели 10 мер ячменя между 10 людьми, разность же между каждым человеком и его соседом равна меры». Решение задачи сводится к нахождению десяти членов арифметической прогрессии: , сумма которых равна 10.

Задачи на арифметические прогрессии есть и в древнекитайском трактате «Математика в девяти книгах».

Первые из дошедших до нас задач на прогрессии связаны с запросами хозяйственной жизни и общественной практики, как, например, распределение продуктов, деление наследства и т. п.

У древних греков теория арифметических прогрессий была связана с так называемой непрерывной арифметической пропорцией:

Здесь числа образуют арифметическую прогрессию с разностью Таким образом, прогрессии рассматривались как бы продолжениями пропорций, вот почему эпитет арифметическая был перенесен с пропорций на прогрессии. Это еще одна из версий, почему эта прогрессия получила именно такое название.

Сумма n первых членов арифметической прогрессии

Рассмотрим первых членов арифметической прогрессии . Обозначим через их сумму:

Найдем формулу для вычисления этой суммы. Запишем эту сумму дважды, разместив в первом случае слагаемые в порядке возрастания их номеров, а во втором — в порядке убывания:

Теперь сложим эти равенства почленно и получим:

Но по свойству 3 из предыдущего параграфа: , то есть каждая сумма в скобках равенства равна , так как . Тогда правая часть равенства состоит из слагаемых, каждое из которых равно . Следовательно,

Разделив обе части этого равенства на 2, получим формулу суммы первых членов арифметической прогрессии:

Если в формуле по формуле члена заменить выражением , получим:

или

Получили еще одну формулу для вычисления суммы п первых членов арифметической прогрессии, которой удобно пользоваться, если известны первый член и разность прогрессии.

Применим формулы и для решения примеров.

Пример №367

Найти сумму тридцати первых членов арифметической прогрессии 4; 7; 10; … .

Решение:

1-й способ. Так как , то и .

Тогда по формуле :

2-й способ. Так как , и легко найти, что , используем формулу :

Ответ. 1425.

Пример №368

Найти сумму восемнадцати первых членов последовательности заданной формулой .

Решение:

Поскольку последовательность задана формулой , где , то она является арифметической прогрессией (по свойству 5 из предыдущего параграфа).

Имеем:

Найдем :

Ответ. -216.

Пример №369

Найти сумму всех натуральных чисел, кратных числу 7 и не превышающих 999.

Решение:

Натуральные числа, кратные числу 7, образуют арифметическую прогрессию: 7; 14; 21; 28; …, которую можно задать формулой .

Найдем, сколько членов этой прогрессии не превышают числа 999. Для этого решим неравенство и получим,

что .

Следовательно, 142 члена прогрессии не превышают 999. Найдем их сумму, то есть

Имеем: . Тогда:

Ответ. 71 071.

Пример №370

Из двух точек, расстояние между которыми 100 м, одновременно навстречу друг другу начинают двигаться два объекта. Первый движется равномерно со скоростью 9 м/с, а второй за первую секунду проходит 7 м, а за каждую следующую на 2 м больше, чем за предыдущую. Через сколько секунд они встретятся?

Решение:

Пусть объекты встретятся через секунд. Первый за это время преодолеет м. Расстояния, которые преодолеет второй объект за первую, вторую, третью и следующие секунды, образуют арифметическую прогрессию, у которой . Тогда за секунд второй объект преодолеет расстояние Sn> которое можно вычислить по формуле:

По условию , тогда , откуда . Второй корень не удовлетворяет задаче. Следовательно, , то есть встреча произойдет через 5 с.

Ответ. 5 с.

Уже в V в. до н. э. греки знали несколько прогрессий и их суммы, в частности:

1)

2)

3) и другие.

С вычислением суммы арифметической прогрессии связана интересная история, произошедшая с выдающимся немецким математиком Карлом Гауссом (1777-1855), который, еще учась в школе, проявил чрезвычайные математические способности. Однажды учитель предложил ученикам найти сумму ста первых натуральных чисел. Юный Гаусс мгновенно получил результат. Он заметил, что значения сумм 1 + 100, 2 + 99, 3 + 98, … одинаковы, а количество таких сумм равно 50:

Геометрическая прогрессия, ее свойства. формула n-го члена геометрической прогрессии

Рассмотрим числовую последовательность, первый член которой равен 3, а каждый следующий, начиная со второго, равен предыдущему, умноженному на число 2:

Такую последовательность называют геометрической прогрессией.

Геометрической прогрессией называют последовательность отличных от нуля чисел, каждое из которых, начиная со второго, равно предыдущему, умноженному на одно и то же число.

Это число называют знаменателем геометрической прогрессии и обозначают буквой (от первой буквы французского слова quotient — частное). Поэтому если — геометрическая прогрессия, то верны следующие равенства:

Следовательно, для любого натурального получим:

Тогда то есть

знаменатель геометрической прогрессии можно найти, ли любой член прогрессии, начиная со второго, разделить на предыдущий.

Заметим, что поскольку члены геометрической прогрессии отличны от нуля, то и знаменатель не может быть равным нулю, то есть .

Если , то геометрическая прогрессия будет состоять из одинаковых чисел. Например, если и , то получим геометрическую прогрессию:

Заметим, что полученную последовательность можно также считать и арифметической прогрессией, первый член которой равен -5, а разность равна нулю.

Пусть первый член геометрической прогрессии равен , а знаменатель равен . Тогда

Заметим, что в каждой из полученных формул показатель степени числа на 1 меньше порядкового номера члена прогрессии, для которого записана эта формула. Действительно, чтобы найти , имея и , нужно раз умножить на , то есть умножить на . Имеем:

Получили формулу члена геометрической прогрессии.

Рассмотрим несколько примеров применения этой формулы.

Пример №371

Последовательность — геометрическая прогрессия, . Найти .

Решение:

.

Ответ. .

Пример №372

Найти знаменатель геометрической прогрессии , если .

Решение:

1-й способ. . Тогда

При этом, то есть , откуда или .

2-й способ. .

Так как , то , откуда или .

Ответ. или .

Пример №373

Дан равносторонний треугольник со стороной 8 см. Середины его сторон являются вершинами второго треугольника, а середины сторон второго являются вершинами третьего и т. д. (рис. 75). Найти площадь пятого треугольника, построенного по тому же принципу.

Решение:

Пусть — площади первого, второго, третьего и т. д. треугольников. Найдем :

Поскольку стороны каждого следующего треугольника являются средними линиями предыдущего, то длина стороны каждого следующего треугольника будет вдвое меньше длины стороны предыдущего. Тогда сторона второго треугольника равна 4 см, а его площадь . Сторона третьего треугольника равна 2 см, тогда . Очевидно, что в 4 раза меньше, чем , a в 4 раза меньше, чем , то есть приходим к выводу, что площадь каждого следующего треугольника в 4 раза меньше площади предыдущего, и поэтому найденные числовые значения площадей являются последовательными членами геометрической прогрессии со знаменателем , первый член которой равен . Тогда числовое значение площади пятого треугольника является соответственно пятым членом этой прогрессии. Значит,

Ответ.

Докажем некоторые важные свойства геометрической прогрессии.

1. Квадрат любого члена геометрической прогрессии, начиная со второго, равен произведению двух соседних с ним членов, то есть

Доказательство. Воспользуемся формулой члена геометрической прогрессии. Тогда:

Если все члены геометрической прогрессии являются положительными числами, то , то есть каждый член геометрической прогрессии, начиная со второго, является средним геометрическим двух соседних с ним членов.

По одной из версий именно с этим свойством геометрической прогрессии и связано ее название.

2. Квадрат любого члена геометрической прогрессии, начиная со второго, равен произведению двух равноудаленных от него членов, то есть

Свойство доказывается аналогично предыдущему свойству.

3. Если — натуральные числа и , то .

Доказательство: Воспользуемся формулой члена геометрической прогрессии:

Нo , поэтому . Следовательно,

В уже неоднократно здесь упоминавшемся папирусе Ахмеса содержится следующая задача, в которой необходимо найти сумму членов геометрической прогрессии: «У семи человек по семи кошек, каждая кошка съедает по 1 мышей, каждая мышь съедает по 7 колосьев, из каждого колоса может вырасти по 7 мер ячменя. Как велики числа этого ряда и их сумма?».

В своей работе «Псаммит» Архимед впервые сопоставил арифметическую и геометрическую прогрессии:

и указал на связь между ними, например: , то есть для умножения двух членов геометрической прогрессии достаточно сложить соответствующие члены арифметической прогрессии и взять полученную сумму в качестве показателя 10.

У древних греков теория геометрических прогрессий была связана с так называемой непрерывной геометрической пропорцией:

в которой числа образуют геометрическую прогрессию со знаменателем Этой связью и объясняется одна из версий названия прогрессии — геометрическая.

Формула сложных процентов

Бухгалтерам и работникам банков часто приходится решать задачи на проценты. Рассмотрим задачу о начислении процентного дохода. С экономической точки зрения процентный доход можно считать вознаграждением, которое платит лицо или учреждение (заемщик) за пользование в течение определенного времени определенной суммой средств, полученных от другого лица или учреждения (кредитора). Размер этого вознаграждения зависит от суммы средств и срока пользования ими.

Пример №374

Вкладчик открыл в банке депозит в размере 10 ООО грн под 11 % годовых (то есть банк обязан выплатить процентный доход в размере 11 % в год от начальной суммы вклада). Какой процентный доход получит вкладчик через год?

Решение:

11 % = 0,11, поэтому вкладчик получит (грн) процентного дохода.

Ответ. 1100 грн.

Если вкладчик решил держать средства в банке более года, не добавляя новых средств и не забирая вложенных, то определить сумму средств на счету вкладчика через несколько лет можно с помощью формулы сложных процентов.

Пусть вкладчик положил в банк грн под % годовых, еще называют начальным капиталом. Через год банк начислит вкладчику грн процентного дохода. Поэтому на счету вкладчика через год будет грн — наращенный капитал. Обозначим . За второй год вкладчику будет начислено грн процентного дохода (ведь теперь банк начисляет % годовых от числа ), и его вклад будет равен:

Рассуждая аналогично и применяя формулу члена геометрической прогрессии , где и придем к выводу, что через лет наращенный капитал будет равен:

Таким образом,

начальный капитал , вложенный в банк под % годовых, через лет станет наращенным капиталом , размер которого определяется но формуле:

которую называют формулой сложных процентов.

Пример №375

Вкладчик открыл в банке депозит на 5000 грн под 12 % годовых. Сколько средств будет на счету вкладчика через 3 года? Какой процентный доход получит вкладчик через 3 года?

Решение:

. Тогда:

Процентный доход можно найти как разность

Таким образом, .

Ответ. 7024,64 грн, 2024,64 грн.

По формуле сложных процентов можно решать и другие задачи, не связанные с наращиванием капитала.

Пример №376

Население города составляет 30 000 жителей. Каждый год количество населения уменьшается на 0,2 %. Сколько жителей будет в этом городе через 10 лет?

Решение:

Так как население города ежегодно уменьшается на один и тот же процент, и это процент от количества населения каждого предыдущего года, а не от начального количества жителей, то можно воспользоваться формулой сложных процентов.

Имеем, (так как население уменьшается, то ), . Тогда:

.

Ответ. 29 405 жителей.

Сумма n первых членов геометрической прогрессии

Рассмотрим первых членов геометрической прогрессии .

Обозначим через их сумму:

Найдем формулу для вычисления этой суммы. Имеем (учитывая формулу члена геометрической прогрессии):

Умножим обе части этого равенства на :

Вычтем почленно из этого равенства предыдущее:

Таким образом, и .

Если , получаем формулу суммы первых членов геометрической прогрессии:

Если , то все члены прогрессии равны первому члену и тогда .

Заметим, что полученную формулу можно записать и так:

Так как , то формулу можно записать и по-другому. Действительно,

Таким образом,

Получили еще одну формулу для вычисления суммы первых членов геометрической прогрессии, которой удобно пользоваться, если известны первый и члены прогрессии и ее знаменатель. Применим эти формулы для решения упражнений.

Пример №377

Найти сумму первых семи членов геометрической прогрессии 2; -6; 18; … .

Решение:

1-й способ. По условию:

Тогда по формуле :

2-й способ. Известно, что , тогда

По формуле :

Ответ. 1094.

Пример №378

Найти сумму первых шести членов геометрической прогрессии , если

Решение:

, тогда , следовательно, или .

Таким образом, существуют две прогрессии, удовлетворяющие условию задачи:

1) если , то

2) если , то

Ответ. 252 или -84.

Пример №379

Сократить дробь

Решение:

Слагаемые в числителе дроби являются последовательными членами геометрической прогрессии 1, , , , , , первый член которой равен 1, а знаменатель равен . Из условия следует, что .

Найдем сумму всех шести членов этой прогрессии по формуле и сократим данную в условии дробь:

Ответ. .

Древняя индийская задача-легенда гласит- что изобретатель шахматной игры Сета в награду за свою остроумную выдумку попросил у индийского царя Шерама столько зерен пшеницы, сколько их получится, если на первую клетку шахматной доски положить одно зерно, на вторую — два, на третью — четыре, на четвертую — восемь и т. д., пока не заполнятся все клетки.

Царь удивился, что изобретатель пожелал столь мало, и приказал придворным математикам подсчитать необходимое количество зерен. Каково же было изумление царя, когда он узнал, что не сможет выдать обещанную награду, так как необходимое число зерен равно

Чтобы получить столько зерен, потребовалось бы собрать урожай с площади, в 2000 раз превышающей всю поверхность Земли. А для хранения такого урожая понадобился бы амбар, который при высоте 4 м и ширине 10 м тянулся бы на 300 000 000 км, то есть вдвое дальше, чем от Земли до Солнца.