Найти сумму первых n чисел арифметической прогрессии. Арифметическая прогрессия: что это такое
Или арифметическая - это вид упорядоченной числовой последовательности, свойства которой изучают в школьном курсе алгебры. В данной статье подробно рассмотрен вопрос, как найти сумму арифметической прогрессии.
Что это за прогрессия?
Прежде чем переходить к рассмотрению вопроса (как найти сумму арифметической прогрессии), стоит понять, о чем пойдет речь.
Любая последовательность действительных чисел, которая получается путем добавления (вычитания) некоторого значения из каждого предыдущего числа, называется алгебраической (арифметической) прогрессией. Это определение в переводе на язык математики принимает форму:
Здесь i - порядковый номер элемента ряда a i . Таким образом, зная всего одно начальное число, можно с легкостью восстановить весь ряд. Параметр d в формуле называется разностью прогрессии.
Можно легко показать, что для рассматриваемого ряда чисел выполняется следующее равенство:
a n = a 1 + d * (n - 1).
То есть для нахождения значения n-го по порядку элемента следует n-1 раз добавить разность d к первому элементу a 1 .
Чему равна сумма арифметической прогрессии: формула
Прежде чем приводить формулу для указанной суммы, стоит рассмотреть простой частный случай. Дана прогрессия натуральных чисел от 1 до 10, необходимо найти их сумму. Поскольку членов в прогрессии немного (10), то можно решить задачу в лоб, то есть просуммировать все элементы по порядку.
S 10 = 1+2+3+4+5+6+7+8+9+10 = 55.
Стоит учесть одну интересную вещь: поскольку каждый член отличается от последующего на одно и то же значение d = 1, то попарное суммирование первого с десятым, второго с девятым и так далее даст одинаковый результат. Действительно:
11 = 1+10 = 2+9 = 3+8 = 4+7 = 5+6.
Как видно, этих сумм всего 5, то есть ровно в два раза меньше, чем число элементов ряда. Тогда умножая число сумм (5) на результат каждой суммы (11), вы придете к полученному в первом примере результату.
Если обобщить эти рассуждения, то можно записать следующее выражение:
S n = n * (a 1 + a n) / 2.
Это выражение показывает, что совсем не обязательно суммировать подряд все элементы, достаточно знать значение первого a 1 и последнего a n , а также общего числа слагаемых n.
Считается, что впервые до этого равенства додумался Гаусс, когда искал решение на заданную его школьным учителем задачу: просуммировать 100 первых целых чисел.
Сумма элементов от m до n: формула
Формула, приведенная в предыдущем пункте, дает ответ на вопрос, как найти сумму арифметической прогрессии (первых элементов), но часто в задачах необходимо просуммировать ряд чисел, стоящих в середине прогрессии. Как это сделать?
Ответить на этот вопрос проще всего, рассматривая следующий пример: пусть необходимо найти сумму членов от m-го до n-го. Для решения задачи следует представить заданный отрезок от m до n прогрессии в виде нового числового ряда. В таком представлении m-й член a m будет первым, а a n станет под номер n-(m-1). В этом случае, применяя стандартную формулу для суммы, получится следующее выражение:
S m n = (n - m + 1) * (a m + a n) / 2.
Пример использования формул
Зная, как найти сумму арифметической прогрессии, стоит рассмотреть простой пример использования приведенных формул.
Ниже дана числовая последовательность, следует найти сумму ее членов, начиная с 5-го и заканчивая 12-м:
Приведенные числа свидетельствуют, что разность d равна 3. Используя выражение для n-го элемента, можно найти значения 5-го и 12-го членов прогрессии. Получается:
a 5 = a 1 + d * 4 = -4 + 3 * 4 = 8;
a 12 = a 1 + d * 11 = -4 + 3 * 11 = 29.
Зная значения чисел, стоящих на концах рассматриваемой алгебраической прогрессии, а также зная, какие номера в ряду они занимают, можно воспользоваться формулой для суммы, полученной в предыдущем пункте. Получится:
S 5 12 = (12 - 5 + 1) * (8 + 29) / 2 = 148.
Стоит отметить, что это значение можно было получить иначе: сначала найти сумму первых 12 элементов по стандартной формуле, затем вычислить сумму первых 4 элементов по той же формуле, после этого вычесть из первой суммы вторую.
Внимание!
К этой теме имеются дополнительные
материалы в Особом разделе 555.
Для тех, кто сильно "не очень..."
И для тех, кто "очень даже...")
Арифметическая прогрессия - это ряд чисел, в котором каждое число больше (или меньше) предыдущего на одну и ту же величину.
Эта тема частенько представляется сложной и непонятной. Индексы у буковок, n-й член прогрессии, разность прогрессии - всё это как-то смущает, да... Разберёмся со смыслом арифметической прогрессии и всё сразу наладится.)
Понятие арифметической прогрессии.
Арифметическая прогрессия - понятие очень простое и чёткое. Сомневаетесь? Зря.) Смотрите сами.
Я напишу незаконченный ряд чисел:
1, 2, 3, 4, 5, ...
Сможете продлить этот ряд? Какие числа пойдут дальше, за пятёркой? Каждый... э-э-э..., короче, каждый сообразит, что дальше пойдут числа 6, 7, 8, 9 и т.д.
Усложним задачу. Даю незаконченный ряд чисел:
2, 5, 8, 11, 14, ...
Сможете уловить закономерность, продлить ряд, и назвать седьмое число ряда?
Если сообразили, что это число 20 - я вас поздравляю! Вы не только почувствовали ключевые моменты арифметической прогрессии, но и успешно употребили их в дело! Если не сообразили - читаем дальше.
А теперь переведём ключевые моменты из ощущений в математику.)
Первый ключевой момент.
Арифметическая прогрессия имеет дело с рядами чисел. Это и смущает поначалу. Мы привыкли уравнения решать, графики строить и всё такое... А тут продлить ряд, найти число ряда...
Ничего страшного. Просто прогрессии - это первое знакомство с новым разделом математики. Раздел называется "Ряды" и работает именно с рядами чисел и выражений. Привыкайте.)
Второй ключевой момент.
В арифметической прогрессии любое число отличается от предыдущего на одну и ту же величину.
В первом примере эта разница - единичка. Какое число ни возьми, оно больше предыдущего на единичку. Во втором - тройка. Любое число больше предыдущего на тройку. Собственно, именно этот момент и даёт нам возможность уловить закономерность и рассчитать последующие числа.
Третий ключевой момент.
Этот момент не бросается в глаза, да... Но очень, очень важен. Вот он: каждое число прогрессии стоит на своём месте. Есть первое число, есть седьмое, есть сорок пятое, и т.д. Если их перепутать как попало, закономерность исчезнет. Исчезнет и арифметическая прогрессия. Останется просто ряд чисел.
Вот и вся суть.
Разумеется, в новой теме появляются новые термины и обозначения. Их надо знать. Иначе и задание-то не поймёшь. Например, придётся решать, что-нибудь, типа:
Выпишите первые шесть членов арифметической прогрессии (a n), если a 2 = 5, d = -2,5.
Внушает?) Буковки, индексы какие-то... А задание, между прочим - проще некуда. Просто нужно понять смысл терминов и обозначений. Сейчас мы это дело освоим и вернёмся к заданию.
Термины и обозначения.
Арифметическая прогрессия - это ряд чисел, в котором каждое число отличается от предыдущего на одну и ту же величину.
Эта величина называется . Разберёмся с этим понятием поподробнее.
Разность арифметической прогрессии.
Разность арифметической прогрессии - это величина, на которую любое число прогрессии больше предыдущего.
Один важный момент. Прошу обратить внимание на слово "больше". Математически это означает, что каждое число прогрессии получается прибавлением разности арифметической прогрессии к предыдущему числу.
Для расчёта, скажем, второго числа ряда, надо к первому числу прибавить эту самую разность арифметической прогрессии. Для расчёта пятого - разность надо прибавить к четвёртому, ну и т.п.
Разность арифметической прогрессии может быть положительной, тогда каждое число ряда получится реально больше предыдущего. Такая прогрессия называется возрастающей. Например:
8; 13; 18; 23; 28; .....
Здесь каждое число получается прибавлением положительного числа, +5 к предыдущему.
Разность может быть и отрицательной, тогда каждое число ряда получится меньше предыдущего. Такая прогрессия называется (вы не поверите!) убывающей.
Например:
8; 3; -2; -7; -12; .....
Здесь каждое число получается тоже прибавлением к предыдущему, но уже отрицательного числа, -5.
Кстати, при работе с прогрессией очень полезно бывает сразу определить её характер - возрастающая она, или убывающая. Это здорово помогает сориентироваться в решении, засечь свои ошибки и исправить их, пока не поздно.
Разность арифметической прогрессии обозначается, как правило, буквой d.
Как найти d ? Очень просто. Надо от любого числа ряда отнять предыдущее число. Вычесть. Кстати, результат вычитания называется "разность".)
Определим, например, d для возрастающей арифметической прогрессии:
2, 5, 8, 11, 14, ...
Берём любое число ряда, какое хотим, например, 11. Отнимаем от него предыдущее число, т.е. 8:
Это правильный ответ. Для этой арифметической прогрессии разность равна трём.
Брать можно именно любое число прогрессии, т.к. для конкретной прогрессии d - всегда одно и то же. Хоть где-нибудь в начале ряда, хоть в середине, хоть где угодно. Брать нельзя только самое первое число. Просто потому, что у самого первого числа нет предыдущего. )
Кстати, зная, что d = 3 , найти седьмое число этой прогрессии очень просто. Прибавим 3 к пятому числу - получим шестое, это будет 17. Прибавим к шестому числу тройку, получим седьмое число - двадцать.
Определим d для убывающей арифметической прогрессии:
8; 3; -2; -7; -12; .....
Напоминаю, что, независимо от знаков, для определения d надо от любого числа отнять предыдущее. Выбираем любое число прогрессии, например -7. Предыдущее у него - число -2. Тогда:
d = -7 - (-2) = -7 + 2 = -5
Разность арифметической прогрессии может быть любым числом: целым, дробным, иррациональным, всяким.
Другие термины и обозначения.
Каждое число ряда называется членом арифметической прогрессии.
Каждый член прогрессии имет свой номер. Номера идут строго по порядочку, безо всяких фокусов. Первый, второй, третий, четвёртый и т.д. Например, в прогрессии 2, 5, 8, 11, 14, ... двойка - это первый член, пятёрка - второй, одиннадцать - четвёртый, ну, вы поняли...) Прошу чётко осознать - сами числа могут быть совершенно любые, целые, дробные, отрицательные, какие попало, но нумерация чисел - строго по порядку!
Как записать прогрессию в общем виде? Не вопрос! Каждое число ряда записывается в виде буквы. Для обозначения арифметической прогрессии используется, как правило, буква a . Номер члена указывается индексом внизу справа. Члены пишем через запятую (или точку с запятой), вот так:
a 1 , a 2 , a 3 , a 4 , a 5 , .....
a 1 - это первое число, a 3 - третье, и т.п. Ничего хитрого. Записать этот ряд кратко можно вот так: (a n ).
Прогрессии бывают конечные и бесконечные.
Конечная прогрессия имеет ограниченное количество членов. Пять, тридцать восемь, сколько угодно. Но - конечное число.
Бесконечная прогрессия - имеет бесконечное количество членов, как можно догадаться.)
Записать конечную прогрессию через ряд можно вот так, все члены и точка в конце:
a 1 , a 2 , a 3 , a 4 , a 5 .
Или так, если членов много:
a 1 , a 2 , ... a 14 , a 15 .
В краткой записи придётся дополнительно указывать количество членов. Например (для двадцати членов), вот так:
(a n), n = 20
Бесконечную прогрессию можно узнать по многоточию в конце ряда, как в примерах этого урока.
Теперь уже можно порешать задания. Задания несложные, чисто для понимания смысла арифметической прогрессии.
Примеры заданий по арифметической прогрессии.
Разберём подробненько задание, что приведено выше:
1. Выпишите первые шесть членов арифметической прогрессии (a n), если a 2 = 5, d = -2,5.
Переводим задание на понятный язык. Дана бесконечная арифметическая прогрессия. Известен второе число этой прогрессии: a 2 = 5. Известна разность прогрессии: d = -2,5. Нужно найти первый, третий, четвёртый, пятый и шестой члены этой прогрессии.
Для наглядности запишу ряд по условию задачки. Первые шесть членов, где второй член - пятёрка:
a 1 , 5 , a 3 , a 4 , a 5 , a 6 ,....
a 3 = a 2 + d
Подставляем в выражение a 2 = 5 и d = -2,5 . Не забываем про минус!
a 3 =5+(-2,5)=5 - 2,5 = 2,5
Третий член получился меньше второго. Всё логично. Если число больше предыдущего на отрицательную величину, значит само число получится меньше предыдущего. Прогрессия - убывающая. Ладно, учтём.) Считаем четвёртый член нашего ряда:
a 4 = a 3 + d
a 4 =2,5+(-2,5)=2,5 - 2,5 = 0
a 5 = a 4 + d
a 5 =0+(-2,5)= - 2,5
a 6 = a 5 + d
a 6 =-2,5+(-2,5)=-2,5 - 2,5 = -5
Так, члены с третьего по шестой вычислили. Получился такой ряд:
a 1 , 5 , 2,5 , 0 , -2,5 , -5 , ....
Остаётся найти первый член a 1 по известному второму. Это шаг в другую сторону, влево.) Значит, разность арифметической прогрессии d надо не прибавить к a 2 , а отнять:
a 1 = a 2 - d
a 1 =5-(-2,5)=5 + 2,5=7,5
Вот и все дела. Ответ задания:
7,5, 5, 2,5, 0, -2,5, -5, ...
Попутно замечу, что это задание мы решали рекуррентным способом. Это страшное слово означает, всего лишь, поиск члена прогрессии по предыдущему (соседнему) числу. Другие способы работы с прогрессией мы рассмотрим далее.
Из этого несложного задания можно сделать один важный вывод.
Запоминаем:
Если нам известен хотя бы один член и разность арифметической прогрессии, мы можем найти любой член этой прогрессии.
Запомнили? Этот несложный вывод позволяет решать большинство задач школьного курса по этой теме. Все задачи крутятся вокруг трёх главных параметров: член арифметической прогрессии, разность прогрессии, номер члена прогрессии. Всё.
Разумеется, вся предыдущая алгебра не отменяется.) К прогрессии прицепляются и неравенства, и уравнения, и прочие вещи. Но по самой прогрессии - всё крутится вокруг трёх параметров.
Для примера рассмотрим некоторые популярные задания по этой теме.
2. Запишите конечную арифметическую прогрессию в виде ряда, если n=5, d = 0,4, и a 1 = 3,6.
Здесь всё просто. Всё уже дано. Нужно вспомнить, как считаются члены арифметической прогрессии, посчитать, да и записать. Желательно не пропустить слова в условии задания: "конечную" и "n=5 ". Чтобы не считать до полного посинения.) В этой прогрессии всего 5 (пять) членов:
a 2 = a 1 + d = 3,6 + 0,4 = 4
a 3 = a 2 + d = 4 + 0,4 = 4,4
a 4 = a 3 + d = 4,4 + 0,4 = 4,8
a 5 = a 4 + d = 4,8 + 0,4 = 5,2
Остаётся записать ответ:
3,6; 4; 4,4; 4,8; 5,2.
Ещё задание:
3. Определите, будет ли число 7 членом арифметической прогрессии (a n), если a 1 = 4,1; d = 1,2.
Хм... Кто ж его знает? Как определить-то?
Как-как... Да записать прогрессию в виде ряда и посмотреть, будет там семёрка, или нет! Считаем:
a 2 = a 1 + d = 4,1 + 1,2 = 5,3
a 3 = a 2 + d = 5,3 + 1,2 = 6,5
a 4 = a 3 + d = 6,5 + 1,2 = 7,7
4,1; 5,3; 6,5; 7,7; ...
Сейчас чётко видно, что семёрку мы просто проскочили между 6,5 и 7,7! Не попала семёрка в наш ряд чисел, и, значит, семёрка не будет членом заданной прогрессии.
Ответ: нет.
А вот задачка на основе реального варианта ГИА:
4. Выписано несколько последовательных членов арифметической прогрессии:
...; 15; х; 9; 6; ...
Здесь записан ряд без конца и начала. Нет ни номеров членов, ни разности d . Ничего страшного. Для решения задания достаточно понимать смысл арифметической прогрессии. Смотрим и соображаем, что можно узнать из этого ряда? Какие параметры из трёх главных?
Номера членов? Нет тут ни единого номера.
Зато есть три числа и - внимание! - слово "последовательных" в условии. Это значит, что числа идут строго по порядку, без пропусков. А есть ли в этом ряду два соседних известных числа? Да, есть! Это 9 и 6. Стало быть, мы можем вычислить разность арифметической прогрессии! От шестёрки отнимаем предыдущее число, т.е. девятку:
Остались сущие пустяки. Какое число будет предыдущим для икса? Пятнадцать. Значит, икс можно легко найти простым сложением. К 15 прибавить разность арифметической прогрессии:
Вот и всё. Ответ: х=12
Следующие задачки решаем самостоятельно. Замечание: эти задачки - не на формулы. Чисто на понимание смысла арифметической прогрессии.) Просто записываем ряд с числами-буквами, смотрим и соображаем.
5. Найдите первый положительный член арифметической прогрессии, если a 5 = -3; d = 1,1.
6. Известно, что число 5,5 является членом арифметической прогрессии (a n), где a 1 = 1,6; d = 1,3. Определите номер n этого члена.
7. Известно, что в арифметической прогрессии a 2 = 4; a 5 = 15,1. Найдите a 3 .
8. Выписано несколько последовательных членов арифметической прогрессии:
...; 15,6; х; 3,4; ...
Найдите член прогрессии, обозначенный буквой х.
9. Поезд начал движение от станции, равномерно увеличивая скорость на 30 метров в минуту. Какова будет скорость поезда через пять минут? Ответ дайте в км/час.
10. Известно, что в арифметической прогрессии a 2 = 5; a 6 = -5. Найдите a 1 .
Ответы (в беспорядке): 7,7; 7,5; 9,5; 9; 0,3; 4.
Всё получилось? Замечательно! Можно осваивать арифметическую прогрессию на более высоком уровне, в следующих уроках.
Не всё получилось? Не беда. В Особом разделе 555 все эти задачки разобраны по косточкам.) И, конечно, описан простой практический приём, который сразу высвечивает решение подобных заданий чётко, ясно, как на ладони!
Кстати, в задачке про поезд есть две проблемки, на которых часто спотыкается народ. Одна - чисто по прогрессии, а вторая - общая для любых задач по математике, да и физике тоже. Это перевод размерностей из одной в другую. В показано, как надо эти проблемы решать.
В этом уроке мы рассмотрели элементарный смысл арифметической прогрессии и её основные параметры. Этого достаточно для решения практически всех задач на эту тему. Прибавляй d к числам, пиши ряд, всё и решится.
Решение "на пальцах" хорошо подходит для очень коротких кусочков ряда, как в примерах этого урока. Если ряд подлиннее, вычисления усложняются. Например, если в задачке 9 в вопросе заменить "пять минут" на "тридцать пять минут", задачка станет существенно злее.)
А ещё бывают задания простые по сути, но несусветные по вычислениям, например:
Дана арифметическая прогрессия (a n). Найти a 121 , если a 1 =3, а d=1/6.
И что, будем много-много раз прибавлять по 1/6?! Это же убиться можно!?
Можно.) Если не знать простую формулу, по которой решать подобные задания можно за минуту. Эта формула будет в следующем уроке. И задачка эта там решена. За минуту.)
Если Вам нравится этот сайт...
Кстати, у меня есть ещё парочка интересных сайтов для Вас.)
Можно потренироваться в решении примеров и узнать свой уровень. Тестирование с мгновенной проверкой. Учимся - с интересом!)
можно познакомиться с функциями и производными.
Если каждому натуральному числу n поставить в соответствие действительное число a n , то говорят, что задано числовую последовательность :
a 1 , a 2 , a 3 , . . . , a n , . . . .
Итак, числовая последовательность — функция натурального аргумента.
Число a 1 называют первым членом последовательности , число a 2 — вторым членом последовательности , число a 3 — третьим и так далее. Число a n называют n-м членом последовательности , а натуральное число n — его номером .
Из двух соседних членов a n и a n +1 последовательности член a n +1 называют последующим (по отношению к a n ), а a n — предыдущим (по отношению к a n +1 ).
Чтобы задать последовательность, нужно указать способ, позволяющий найти член последовательности с любым номером.
Часто последовательность задают с помощью формулы n-го члена , то есть формулы, которая позволяет определить член последовательности по его номеру.
Например,
последовательность положительных нечётных чисел можно задать формулой
a n = 2n - 1,
а последовательность чередующихся 1 и -1 — формулой
b n = (-1) n +1 . ◄
Последовательность можно определить рекуррентной формулой , то есть формулой, которая выражает любой член последовательности, начиная с некоторого, через предыдущие (один или несколько) члены.
Например,
если a 1 = 1 , а a n +1 = a n + 5
a 1 = 1,
a 2 = a 1 + 5 = 1 + 5 = 6,
a 3 = a 2 + 5 = 6 + 5 = 11,
a 4 = a 3 + 5 = 11 + 5 = 16,
a 5 = a 4 + 5 = 16 + 5 = 21.
Если а 1 = 1, а 2 = 1, a n +2 = a n + a n +1 , то первые семь членов числовой последовательности устанавливаем следующим образом:
a 1 = 1,
a 2 = 1,
a 3 = a 1 + a 2 = 1 + 1 = 2,
a 4 = a 2 + a 3 = 1 + 2 = 3,
a 5 = a 3 + a 4 = 2 + 3 = 5,
a 6 = a 4 + a 5 = 3 + 5 = 8,
a 7 = a 5 + a 6 = 5 + 8 = 13. ◄
Последовательности могут быть конечными и бесконечными .
Последовательность называется конечной , если она имеет конечное число членов. Последовательность называется бесконечной , если она имеет бесконечно много членов.
Например,
последовательность двузначных натуральных чисел:
10, 11, 12, 13, . . . , 98, 99
конечная.
Последовательность простых чисел:
2, 3, 5, 7, 11, 13, . . .
бесконечная. ◄
Последовательность называют возрастающей , если каждый её член, начиная со второго, больше чем предыдущий.
Последовательность называют убывающей , если каждый её член, начиная со второго, меньше чем предыдущий.
Например,
2, 4, 6, 8, . . . , 2n , . . . — возрастающая последовательность;
1, 1 / 2 , 1 / 3 , 1 / 4 , . . . , 1 / n , . . . — убывающая последовательность. ◄
Последовательность, элементы которой с увеличением номера не убывают, или, наоборот, не возрастают, называется монотонной последовательностью .
Монотонными последовательностями, в частности, являются возрастающие последовательности и убывающие последовательности.
Арифметическая прогрессия
Арифметической прогрессией называется последовательность, каждый член которой, начиная со второго, равен предыдущему, к которому прибавляется одно и то же число.
a 1 , a 2 , a 3 , . . . , a n , . . .
является арифметической прогрессией, если для любого натурального числа n выполняется условие:
a n +1 = a n + d ,
где d — некоторое число.
Таким образом, разность между последующим и предыдущим членами данной арифметической прогрессии всегда постоянна:
а 2 - a 1 = а 3 - a 2 = . . . = a n +1 - a n = d .
Число d называют разностью арифметической прогрессии .
Чтобы задать арифметическую прогрессию, достаточно указать её первый член и разность.
Например,
если a 1 = 3, d = 4 , то первые пять членов последовательности находим следующим образом:
a 1 =3,
a 2 = a 1 + d = 3 + 4 = 7,
a 3 = a 2 + d = 7 + 4 = 11,
a 4 = a 3 + d = 11 + 4 = 15,
a 5 = a 4 + d = 15 + 4 = 19. ◄
Для арифметической прогрессии с первым членом a 1 и разностью d её n
a n = a 1 + (n - 1)d.
Например,
найдём тридцатый член арифметической прогрессии
1, 4, 7, 10, . . .
a 1 =1, d = 3,
a 30 = a 1 + (30 - 1)d = 1 + 29· 3 = 88. ◄
a n-1 = a 1 + (n - 2)d,
a n = a 1 + (n - 1)d,
a n +1 = a 1 + nd ,
то, очевидно,
| a n
=
| a n-1 + a n+1
|
| 2
|
каждый член арифметической прогрессии, начиная со второго, равен среднему арифметическому предшествующего и последующего членов.
числа a, b и c являются последовательными членами некоторой арифметической прогрессии тогда и только тогда, когда одно из них равно среднему арифметическому двух других.
Например,
a n = 2n - 7 , является арифметической прогрессией.
Воспользуемся приведённым выше утверждением. Имеем:
a n = 2n - 7,
a n-1 = 2(n - 1) - 7 = 2n - 9,
a n+1 = 2(n + 1) - 7 = 2n - 5.
Следовательно,
| a n+1 + a n-1
| =
| 2n
- 5 + 2n
- 9
| = 2n
- 7 = a n
,
|
| 2
| 2
|
◄
Отметим, что n -й член арифметической прогрессии можно найти не толь через a 1 , но и любой предыдущий a k
a n = a k + (n - k )d .
Например,
для a 5 можно записать
a 5 = a 1 + 4d ,
a 5 = a 2 + 3d ,
a 5 = a 3 + 2d ,
a 5 = a 4 + d . ◄
a n = a n-k + kd ,
a n = a n+k - kd ,
то, очевидно,
| a n
=
| a n-k
+ a n+k
|
| 2
|
любой член арифметической прогрессии, начиная со второго равен полусумме равноотстоящих от него членов этой арифметической прогрессии.
Кроме того, для любой арифметической прогрессии справедливо равенство:
a m + a n = a k + a l ,
m + n = k + l.
Например,
в арифметической прогрессии
1) a 10 = 28 = (25 + 31)/2 = (a 9 + a 11 )/2;
2) 28 = a 10 = a 3 + 7d = 7 + 7·3 = 7 + 21 = 28;
3) a 10 = 28 = (19 + 37)/2 = (a 7 + a 13 )/2;
4) a 2 + a 12 = a 5 + a 9 , так как
a 2 + a 12 = 4 + 34 = 38,
a 5 + a 9 = 13 + 25 = 38. ◄
S n = a 1 + a 2 + a 3 + . . . + a n ,
первых n членов арифметической прогрессии равна произведению полусуммы крайних слагаемых на число слагаемых:
Отсюда, в частности, следует, что если нужно просуммировать члены
a k , a k +1 , . . . , a n ,
то предыдущая формула сохраняет свою структуру:
Например,
в арифметической прогрессии 1, 4, 7, 10, 13, 16, 19, 22, 25, 28, 31, 34, 37, . . .
S 10 = 1 + 4 + . . . + 28 = (1 + 28) · 10/2 = 145;
10 + 13 + 16 + 19 + 22 + 25 + 28 = S 10 - S 3 = (10 + 28 ) · (10 - 4 + 1)/2 = 133. ◄
Если дана арифметическая прогрессия, то величины a 1 , a n , d , n и S n связаны двумя формулами:
Поэтому, если значения трёх из этих величин даны, то соответствующие им значения двух остальных величин определяются из этих формул, объединённых в систему двух уравнений с двумя неизвестными.
Арифметическая прогрессия является монотонной последовательностью. При этом:
- если d > 0 , то она является возрастающей;
- если d < 0 , то она является убывающей;
- если d = 0 , то последовательность будет стационарной.
Геометрическая прогрессия
Геометрической прогрессией называется последовательность, каждый член которой, начиная со второго, равен предыдущему, умноженному на одно и то же число.
b 1 , b 2 , b 3 , . . . , b n , . . .
является геометрической прогрессией, если для любого натурального числа n выполняется условие:
b n +1 = b n · q ,
где q ≠ 0 — некоторое число.
Таким образом, отношение последующего члена данной геометрической прогрессии к предыдущему есть число постоянное:
b 2 / b 1 = b 3 / b 2 = . . . = b n +1 / b n = q .
Число q называют знаменателем геометрической прогрессии .
Чтобы задать геометрическую прогрессию, достаточно указать её первый член и знаменатель.
Например,
если b 1 = 1, q = -3 , то первые пять членов последовательности находим следующим образом:
b 1 = 1,
b 2 = b 1 · q = 1 · (-3) = -3,
b 3 = b 2 · q = -3 · (-3) = 9,
b 4 = b 3 · q = 9 · (-3) = -27,
b 5 = b 4 · q = -27 · (-3) = 81. ◄
b 1 и знаменателем q её n -й член может быть найден по формуле:
b n = b 1 · q n -1 .
Например,
найдём седьмой член геометрической прогрессии 1, 2, 4, . . .
b 1 = 1, q = 2,
b 7 = b 1 · q 6 = 1 · 2 6 = 64 . ◄
b n-1 = b 1 · q n -2 ,
b n = b 1 · q n -1 ,
b n +1 = b 1 · q n ,
то, очевидно,
b n 2 = b n -1 · b n +1 ,
каждый член геометрической прогрессии, начиная со второго, равен среднему геометрическому (пропорциональному) предшествующего и последующего членов.
Так как верно и обратное утверждение, то имеет место следующее утверждение:
числа a, b и c являются последовательными членами некоторой геометрической прогрессии тогда и только тогда, когда квадрат одного из них равен произведению двух других, то есть одно из чисел является средним геометрическим двух других.
Например,
докажем, что последовательность, которая задаётся формулой b n = -3 · 2 n , является геометрической прогрессией. Воспользуемся приведённым выше утверждением. Имеем:
b n = -3 · 2 n ,
b n -1 = -3 · 2 n -1 ,
b n +1 = -3 · 2 n +1 .
Следовательно,
b n 2 = (-3 · 2 n ) 2 = (-3 · 2 n -1 ) · (-3 · 2 n +1 ) = b n -1 · b n +1 ,
что и доказывает нужное утверждение. ◄
Отметим, что n -й член геометрической прогрессии можно найти не только через b 1 , но и любой предыдущий член b k , для чего достаточно воспользоваться формулой
b n = b k · q n - k .
Например,
для b 5 можно записать
b 5 = b 1 · q 4 ,
b 5 = b 2 · q 3 ,
b 5 = b 3 · q 2 ,
b 5 = b 4 · q . ◄
b n = b k · q n - k ,
b n = b n - k · q k ,
то, очевидно,
b n 2 = b n - k · b n + k
квадрат любого члена геометрической прогрессии, начиная со второго равен произведению равноотстоящих от него членов этой прогрессии.
Кроме того, для любой геометрической прогрессии справедливо равенство:
b m · b n = b k · b l ,
m + n = k + l .
Например,
в геометрической прогрессии
1) b 6 2 = 32 2 = 1024 = 16 · 64 = b 5 · b 7 ;
2) 1024 = b 11 = b 6 · q 5 = 32 · 2 5 = 1024;
3) b 6 2 = 32 2 = 1024 = 8 · 128 = b 4 · b 8 ;
4) b 2 · b 7 = b 4 · b 5 , так как
b 2 · b 7 = 2 · 64 = 128,
b 4 · b 5 = 8 · 16 = 128. ◄
S n = b 1 + b 2 + b 3 + . . . + b n
первых n членов геометрической прогрессии со знаменателем q ≠ 0 вычисляется по формуле:
А при q = 1 — по формуле
S n = nb 1
Заметим, что если нужно просуммировать члены
b k , b k +1 , . . . , b n ,
то используется формула:
| S n - S k -1 = b k + b k +1 + . . . + b n = b k · | 1 - q n
-
k
+1
| . |
| 1 - q
|
Например,
в геометрической прогрессии 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128, 256, 512, 1024, . . .
S 10 = 1 + 2 + . . . + 512 = 1 · (1 - 2 10) / (1 - 2) = 1023;
64 + 128 + 256 + 512 = S 10 - S 6 = 64 · (1 - 2 10-7+1) / (1 - 2) = 960. ◄
Если дана геометрическая прогрессия, то величины b 1 , b n , q , n и S n связаны двумя формулами:
Поэтому, если значения каких-либо трёх из этих величин даны, то соответствующие им значения двух остальных величин определяются из этих формул, объединённых в систему двух уравнений с двумя неизвестными.
Для геометрической прогрессии с первым членом b 1 и знаменателем q имеют место следующие свойства монотонности :
- прогрессия является возрастающей, если выполнено одно из следующих условий:
b 1 > 0 и q > 1;
b 1 < 0 и 0 < q < 1;
- прогрессия является убывающей, если выполнено одно из следующих условий:
b 1 > 0 и 0 < q < 1;
b 1 < 0 и q > 1.
Если q < 0 , то геометрическая прогрессия является знакопеременной: её члены с нечётными номерами имеют тот же знак, что и её первый член, а члены с чётными номерами — противоположный ему знак. Ясно, что знакопеременная геометрическая прогрессия не является монотонной.
Произведение первых n членов геометрической прогрессии можно рассчитать по формуле:
P n = b 1 · b 2 · b 3 · . . . · b n = (b 1 · b n ) n / 2 .
Например,
1 · 2 · 4 · 8 · 16 · 32 · 64 · 128 = (1 · 128) 8/2 = 128 4 = 268 435 456;
3 · 6 · 12 · 24 · 48 = (3 · 48) 5/2 = (144 1/2) 5 = 12 5 = 248 832.◄
Бесконечно убывающая геометрическая прогрессия
Бесконечно убывающей геометрической прогрессией называют бесконечную геометрическую прогрессию, модуль знаменателя которой меньше 1 , то есть
|q | < 1 .
Заметим, что бесконечно убывающая геометрическая прогрессия может не быть убывающей последовательностью. Это соответствует случаю
1 < q < 0 .
При таком знаменателе последовательность знакопеременная. Например,
1, - 1 / 2 , 1 / 4 , - 1 / 8 , . . . .
Суммой бесконечно убывающей геометрической прогрессии называют число, к которому неограниченно приближается сумма первых n членов прогрессии при неограниченном возрастании числа n . Это число всегда конечно и выражается формулой
| S = b 1 + b 2 + b 3 + . . . = | b
1
| . |
| 1 - q
|
Например,
10 + 1 + 0,1 + 0,01 + . . . = 10 / (1 - 0,1) = 11 1 / 9 ,
10 - 1 + 0,1 - 0,01 + . . . = 10 / (1 + 0,1) = 9 1 / 11 . ◄
Связь арифметической и геометрической прогрессий
Арифметическая и геометрическая прогрессии тесно связаны между собой. Рассмотрим лишь два примера.
a 1 , a 2 , a 3 , . . . d , то
b a 1 , b a 2 , b a 3 , . . . b d .
Например,
1, 3, 5, . . . — арифметическая прогрессия с разностью 2 и
7 1 , 7 3 , 7 5 , . . . — геометрическая прогрессия с знаменателем 7 2 . ◄
b 1 , b 2 , b 3 , . . . — геометрическая прогрессия с знаменателем q , то
log a b 1 , log a b 2 , log a b 3 , . . . — арифметическая прогрессия с разностью log a q .
Например,
2, 12, 72, . . . — геометрическая прогрессия с знаменателем 6 и
lg 2, lg 12, lg 72, . . . — арифметическая прогрессия с разностью lg 6 . ◄
Арифметической прогрессией называют последовательность чисел (членов прогрессии)
В которой каждый последующий член отличается от предыдущего на сталое слагаемое, которое еще называют шагом или разницей прогрессии .
Таким образом, задавая шаг прогрессии и ее первый член можно найти любой ее элемент по формуле
Свойства арифметической прогрессии
1) Каждый член арифметической прогрессии, начиная со второго номера является средним арифметическим от предыдущего и следующего члена прогрессии
Обратное утверждение также верно. Если среднее арифметическое соседних нечетных (четных) членов прогрессии равно члену, который стоит между ними, то данная последовательность чисел является арифметической прогрессией. По этим утверждением очень просто проверить любую последовательность.
Также по свойству арифметической прогрессии, приведенную выше формулу можно обобщить до следующей
В этом легко убедиться, если расписать слагаемые справа от знака равенства
Ее часто применяют на практике для упрощения вычислений в задачах.
2) Сумма n первых членов арифметической прогрессии вычисляется по формуле
Запомните хорошо формулу суммы арифметической прогрессии, она незаменима при вычислениях и довольно часто встречается в простых жизненных ситуациях.
3) Если нужно найти не всю сумму, а часть последовательности начиная с k -го ее члена, то в Вам пригодится следующая формула суммы
4) Практический интерес представляет отыскание суммы n членов арифметической прогрессии начиная с k -го номера. Для этого используйте формулу
На этом теоретический материал заканчивается и переходим к решению распространенных на практике задач.
Пример 1. Найти сороковой член арифметической прогрессии 4;7;...
Решение:
Согласно условию имеем
Определим шаг прогрессии
По известной формуле находим сороковой член прогрессии
Пример2. Арифметическая прогрессия задана третьим и седьмым ее членом . Найти первый член прогрессии и сумму десяти.
Решение:
Распишем заданные элементы прогрессии по формулам
От второго уравнения вычтем первое, в результате найдем шаг прогрессии
Найденное значение подставляем в любое из уравнений для отыскания первого члена арифметической прогрессии
Вычисляем сумму первых десяти членов прогрессии
Не применяя сложных вычислений ми нашли все искомые величины.
Пример 3. Арифметическую прогрессию задано знаменателем и одним из ее членов . Найти первый член прогрессии, сумму 50 ее членов начиная с 50 и сумму 100 первых.
Решение:
Запишем формулу сотого элемента прогрессии
и найдем первый
На основе первого находим 50 член прогрессии
Находим сумму части прогрессии
и сумму первых 100
Сумма прогрессии равна 250.
Пример 4.
Найти число членов арифметической прогрессии, если:
а3-а1=8, а2+а4=14, Sn=111.
Решение:
Запишем уравнения через первый член и шаг прогрессии и определим их
Полученные значения подставляем в формулу суммы для определения количества членов в сумме
Выполняем упрощения
и решаем квадратное уравнение
Из найденных двух значений условии задачи подходит только число 8 . Таким образом сумма первых восьми членов прогрессии составляет 111.
Пример 5.
Решить уравнение
1+3+5+...+х=307.
Решение: Данное уравнение является суммой арифметической прогрессии. Выпишем первый ее член и найдем разницу прогрессии
Кто-то к слову «прогрессия» относится настороженно, как к очень сложному термину из разделов высшей математики. А между тем самая простая арифметическая прогрессия - работа счётчика такси (где они ещё остались). И понять суть (а в математике нет ничего важнее, чем «понять суть») арифметической последовательности не так сложно, разобрав несколько элементарных понятий.
Математическая числовая последовательность
Числовой последовательностью принято именовать какой-либо ряд чисел, каждое из которых имеет свой номер.
а 1 - первый член последовательности;
а 2 - второй член последовательности;
а 7 - седьмой член последовательности;
а n - n-ный член последовательности;
Однако не любой произвольный набор цифр и чисел интересует нас. Наше внимание сосредоточим на числовой последовательности, у которой значение n-ного члена связано с его порядковым номером зависимостью, которую можно чётко сформулировать математически. Иными словами: численное значение n-ного номера является какой-либо функцией от n.
a - значение члена числовой последовательности;
n - его порядковый номер;
f(n) - функция, где порядковый номер в числовой последовательности n является аргументом.
Определение
Арифметической прогрессией принято именовать числовую последовательность, в которой каждый последующий член больше (меньше) предыдущего на одно и то же число. Формула n-ного члена арифметической последовательности выглядит следующим образом:
a n - значение текущего члена арифметической прогрессии;
a n+1 - формула следующего числа;
d - разность (определённое число).
Нетрудно определить, что если разность положительна (d>0), то каждый последующий член рассматриваемого ряда будет больше предыдущего и такая арифметическая прогрессия будет возрастающей.
На представленном ниже графике нетрудно проследить, почему числовая последовательность получила название «возрастающая».
В случаях, когда разность отрицательная (d<0), каждый последующий член по понятным причинам будет меньше предыдущего, график прогрессии станет «уходить» вниз, арифметическая прогрессия, соответственно, будет именоваться убывающей.
Значение заданного члена
Иногда бывает необходимо определить значение какого-либо произвольного члена a n арифметической прогрессии. Можно сделать это путём расчёта последовательно значений всех членов арифметической прогрессии, начиная с первого до искомого. Однако такой путь не всегда приемлем, если, например, необходимо отыскать значение пятитысячного или восьмимиллионного члена. Традиционный расчёт сильно затянется по времени. Однако конкретная арифметическая прогрессия может быть исследована с помощью определённых формул. Существует и формула n-ного члена: значение любого члена арифметической прогрессии может быть определено как сумма первого члена прогрессии с разностью прогрессии, умноженной на номер искомого члена, уменьшенный на единицу.
Формула универсальна для возрастающей и убывающей прогрессии.
Пример расчёта значения заданного члена
Решим следующую задачу на нахождение значения n-ного члена арифметической прогрессии.
Условие: имеется арифметическая прогрессия с параметрами:
Первый член последовательности равен 3;
Разность числового ряда равняется 1,2.
Задание: необходимо отыскать значение 214 члена
Решение: для определения значения заданного члена воспользуемся формулой:
а(n) = а1 + d(n-1)
Подставив в выражение данные из условия задачи имеем:
а(214) = а1 + d(n-1)
а(214) = 3 + 1,2 (214-1) = 258,6
Ответ: 214-ый член последовательности раве 258,6.
Преимущества такого способа расчёта очевидны - всё решение занимает не более 2 строчек.
Сумма заданного числа членов
Очень часто в заданном арифметическом ряду требуется определить сумму значений некоторого его отрезка. Для этого также нет необходимости вычислять значения каждого члена и затем суммировать. Такой способ применим, если число членов, сумму которых необходимо найти, невелико. В остальных случаях удобнее воспользоваться следующей формулой.
Сумма членов арифметической прогрессии от 1 до n равна сумме первого и n-ного членов, помноженной на номер члена n и делённой надвое. Если в формуле значение n-ного члена заменить на выражение из предыдущего пункта статьи, получим:
Пример расчёта
Для примера решим задачу со следующими условиями:
Первый член последовательности равен нулю;
Разность равняется 0,5.
В задаче требуется определить сумму членов ряда с 56-го по 101.
Решение. Воспользуемся формулой определения суммы прогрессии:
s(n) = (2∙a1 + d∙(n-1))∙n/2
Вначале определим сумму значений 101 члена прогрессии, подставив в формулу данные их условия нашей задачи:
s 101 = (2∙0 + 0,5∙(101-1))∙101/2 = 2 525
Очевидно, для того, чтобы узнать сумму членов прогрессии с 56-го по 101-й, необходимо от S 101 отнять S 55 .
s 55 = (2∙0 + 0,5∙(55-1))∙55/2 = 742,5
Таким образом сумма арифметической прогрессии для данного примера:
s 101 - s 55 = 2 525 - 742,5 = 1 782,5
Пример практического применения арифметической прогрессии
В конце статьи вернёмся к примеру арифметической последовательности, приведённому в первом абзаце - таксометр (счётчик автомобиля такси). Рассмотрим такой пример.
Посадка в такси (в которую входит 3 км пробега) стоит 50 рублей. Каждый последующий километр оплачивается из расчёта 22 руб./км. Расстояние поездки 30 км. Рассчитать стоимость поездки.
1. Отбросим первые 3 км, цена которых включена в стоимость посадки.
30 - 3 = 27 км.
2. Дальнейший расчет - не что иное как разбор арифметического числового ряда.
Номер члена - число км пробега (минус первые три).
Значение члена - сумма.
Первый член в данной задаче будет равен a 1 = 50 р.
Разность прогрессии d = 22 р.
интересующее нас число - значение (27+1)-ого члена арифметической прогрессии - показания счётчика в конце 27-го километра - 27,999… = 28 км.
a 28 = 50 + 22 ∙ (28 - 1) = 644
На формулах, описывающих те или иные числовые последовательности, построены расчёты календарных данных на сколь угодно длительный период. В астрономии в геометрической зависимости от расстояния небесного тела до светила находится длина орбиты. Кроме того, различные числовые ряды с успехом применяются в статистике и других прикладных разделах математики.
Другой вид числовой последовательности - геометрическая
Геометрическая прогрессия характеризуется большими, по сравнению с арифметической, темпами изменения. Не случайно в политике, социологии, медицине зачастую, чтобы показать большую скорость распространения того или иного явления, например заболевания при эпидемии, говорят, что процесс развивается в геометрической прогрессии.
N-ный член геометрического числового ряда отличается от предыдущего тем, что он умножается на какое-либо постоянное число - знаменатель, например первый член равен 1, знаменатель соответственно равен 2, тогда:
n=1: 1 ∙ 2 = 2
n=2: 2 ∙ 2 = 4
n=3: 4 ∙ 2 = 8
n=4: 8 ∙ 2 = 16
n=5: 16 ∙ 2 = 32,
b n - значение текущего члена геометрической прогрессии;
b n+1 - формула следующего члена геометрической прогрессии;
q - знаменатель геометрической прогрессии (постоянное число).
Если график арифметической прогрессии представляет собой прямую, то геометрическая рисует несколько иную картину:
Как и в случае с арифметической, геометрическая прогрессия имеет формулу значения произвольного члена. Какой-либо n-ный член геометрической прогрессии равен произведению первого члена на знаменатель прогрессии в степени n уменьшенного на единицу:
Пример. Имеем геометрическую прогрессию с первым членом равным 3 и знаменателем прогрессии, равным 1,5. Найдём 5-й член прогрессии
b 5 = b 1 ∙ q (5-1) = 3 ∙ 1,5 4 = 15,1875
Сумма заданного числа членов рассчитывается так же с помощью специальной формулы. Сумма n первых членов геометрической прогрессии равна разности произведения n- ного члена прогрессии на его знаменатель и первого члена прогрессии, делённой на уменьшенный на единицу знаменатель:
Если b n заменить пользуясь рассмотренной выше формулой, значение суммы n первых членов рассматриваемого числового ряда примет вид:
Пример. Геометрическая прогрессия начинается с первого члена, равного 1. Знаменатель задан равным 3. Найдём сумму первых восьми членов.
s8 = 1 ∙ (3 8 -1) / (3-1) = 3 280
