Matematyka dla liceum/Ciągi liczbowe/Suma częściowa ciągu

Z testwiki
Przejdź do nawigacji Przejdź do wyszukiwania

Sumy częściowe

Szablon:Indeksuj Suma częściowa ciągu to inaczej suma kilku kolejnych wyrazów pewnego ciągu. Najprostszym przykładem może być a1+a2, czy też a2+a4+a6 dla pewnego ciągu (an).

Policzmy sumę czterech kolejnych wyrazów ciągu (an) zdefiniowanego wzorem an=2⋅|n−3|. Mamy a1=2⋅|1−3|=2⋅2=4, a2=2⋅|2−3|=2, a3=2⋅|3−3|=0, a4=2⋅|4−3|=2, czyli:

a1+a2+a3+a4=4+2+0+2=8

Podobnie policzmy sumę wyrazów c2+c10+c30+c51+c1001 ciągu arytmetycznego (cn), gdzie c1=10, a różnica ciągu wynosi -3. Jednak najpierw musimy policzyć ile wynoszą odpowiednie wyrazy. Ze wzoru na n-ty wyraz ciągu arytmetycznego mamy:

c2=10+(2−1)⋅(−3)=7
c10=10+(10−1)⋅(−3)=−17
c30=10+29⋅(−3)=−77
c51=10+50⋅(−3)=−140
c1001=10+1000⋅(−3)=−2990

Zatem suma c2+c10+c30+c51+c1001=7−17−77−140−2990=−3217.

Sumę kolejnych n wyrazów pewnego ciągu, czyli a1+a2+a3+a4+…+an z reguły oznaczamy jako Sn. Kilka przykładów ...:

S5=a1+a2+a3+a4+a5
S3=a1+a2+a3
S50=a1+a2+a3+a4+…+a50
S1=a1

Używając tego oznaczenia możemy zapisać także sumę kolejnych, ale nie koniecznie początkowych wyrazów, na przykład:

a3+a4+a5=(a1+a2+a3+a4+a5)−(a1+a2)=S5−S2
a5+a6+a7=(a1+a2+a3+a4+a5+a6+a7)−(a1+a2+a3+a4)=S7−S4
a50+a51+a52+…+a100=(a1+a2+…+a49+a50+…+a100)−(a1+a2+…+a49)=S100−S49

W ogólności suma ak+ak+1+…+an=(a1+a2+…+ak−1+ak+an)−(a1+a2+…+ak−1)=Sn−Sk−1.

Suma częściowa ciągu arytmetycznego

Szablon:Indeksuj Szablon:Mat:Tw

Znając to twierdzenie możemy policzyć sumę S10=1+2+3+…+10. Widzimy, że n=10 i ponadto a1=1 i a10=10. Zatem S10=a1+an2⋅n=1+102⋅10=55.

Korzystając z tego wzoru możemy w bardzo prosty sposób znaleźć wzór na sumę n kolejnych liczb naturalnych. Zero możemy pominąć, ponieważ nic nie wnosi do naszej sumy. Zobaczmy -- pierwszą liczbą będzie 1, czyli a1=1, a n-tą liczbą jest an=n. Ponadto od 1 do n jest dokładnie n liczb. Czyli mamy wzór:

Sn=1+2+3+…+n=1+n2⋅n=n(n+1)2,

być może już przez niektórych znany.

Policzmy teraz sumę trzydziestu jeden kolejnych wyrazów ciągu (tn), gdzie t1=10 i r=4. Wiemy, że n=31, ale nie znamy wartości t31, dlatego musimy wykorzystać wzór ogólny na n-ty wyraz ciągu arytmetycznego:

t31=10+(31−1)⋅4=10+120=130

Teraz tylko zastosować wzór na sumę początkowych wyrazów:

Sn=t1+t2+t3+…+t31=t1+t312⋅31=
=10+1302⋅31=2170.

Znajdźmy wzór na sume n początkowych wyrazów ciągu znając jedynie n, a1 i r. Wiemy ze wzoru na n-ty wyraz, że an=a1+(n−1)⋅r. Podstawiając do wzoru na sumę otrzymujemy:

Sn=a1+an2⋅n=a1+a1+(n−1)⋅r2⋅n

Po drobnym przekształceniach mamy:

Szablon:Wzór

Czy wzór Sn=a1+an2⋅n jest prawdziwy dla dowolnego ciągu arytmetycznego? Odpowiedź, brzmi tak. Aby się o tym przekonać przedstawimy dowód.

Dowód:

Wiemy, że Sn=a1+a2+…+an, a ponieważ (an) jest ciągiem arytmetycznym, więc ak=a1+(k−1)⋅r. Z tych dwóch zależności wynika, że:

Sn=a1+a2+…+an=[a1+(1−1)⋅r]+[a1+(2−1)⋅r]+…+[a1+(n−1)⋅r],

sumę tę możemy także przepisać jako (idąc od końca do początku):

Sn=[a1+(n−1)⋅r]+[a1+(n−2)⋅r]+…+[a1+(2−1)⋅r]+[a1+(1−1)⋅r]

Dodając obydwie sumy do siebie otrzymujemy:

Sn = [a1+(1−1)⋅r] + [a1+(2−1)⋅r] + [a1+(3−1)⋅r] + … + [a1+(n−1)⋅r]
+ Sn = [a1+(n−1)⋅r] + [a1+(n−2)⋅r] + [a1+(n−3)⋅r] + … + [a1+(n−n)⋅r]
2Sn = [2a1+(n−1)⋅r] + [2a1+(n−1)⋅r] + [2a1+(n−1)⋅r] + … + [2a1+(n−1)⋅r]

Wszystkie powyższe sumy posiadają n składników, zatem:

2Sn=[2a1+(n−1)⋅r]⋅n

Po podzieleniu przez dwa mamy:

Sn=[2a1+(n−1)⋅r]⋅n2

Czyli dochodzimy do wzoru przedstawionego nieco wyżej.

Suma częściowa ciągu geometrycznego

Szablon:Indeksuj Szablon:Mat:Tw

Możemy teraz bez problemu obliczyć sumę stu dwójek, czyli S100=2+2+2+2+…+2. Nie powinno to sprawić problemu osobie, która nie zna powyższego twierdzenia. Mamy sto dwójek, więc S100=100⋅2=200, proste. Oczywiście możemy wykorzystać odpowiedni wzór. Ponieważ q=1, więc zastosujemy pierwszego wzór otrzymując S100=n⋅a1=100⋅2=200.


Obliczmy sumę 4 kolejnych wyrazów ciągu (bn), gdzie:

b1=11,
bk+1bk=3 dla k∈ℤ+.

Ponieważ q=3, więc wykorzystamy wzór dla q≠1:

S4=a1⋅1−q41−q=11⋅1−341−3=11⋅−80−2=440.


Przejdźmy teraz do nieco trudniejszego przykładu. Obliczmy sumę Sn=1+2+4+8+…+64. Sumę tę tworzą kolejne wyrazy ciągu geometrycznego. Widzimy, że a1=1, ponadto q=2. Zastanówmy się, z ilu elementów składa się ta suma (czyli ile wynosi n)? Z wzoru ogólnego wynika, że an=1⋅2n−1, a z sumy do policzenia, że an=64. Więc an=2n−1=64=26, czyli n−1=6⟹n=7. Ponieważ q=2≠1, więc wykorzystamy wzór drugi:

S7=a1⋅1−q71−q=1⋅1−271−2=−127−1=127.


Obliczmy sumę 9 kolejnych wyrazów ciągu (sn) zdefiniowanego wzorem:

sk=11⋅(−10)k−1 dla k∈ℤ+.

Pamiętamy, że każdy ciąg geometryczny zdefiniowany jest wzorem:

ak=a1⋅qk−1 dla k∈ℤ+

Zauważmy, że gdybyśmy jako a1 podstawili 11, a jako q liczbę -10, otrzymalibyśmy taki sam wzór na n-ty wyraz, jaki ma ciąg (sn). Zatem musi zachodzić s1=11, a q=−10. Możemy teraz wyliczyć sumę, a ponieważ q≠0 mamy:

S9=11⋅1−(−10)91−(−10)=1−(−10)91=(10)9+1


Pomyślmy teraz, ile wynosi suma 10 kolejnych wyrazów ciągu zdefiniowanego wzorem:

ck=2⋅(−12)2(k−1)

Ze wzoru możemy w łatwy sposób wyliczyć kilka pierwszych wyrazów:

c1=2⋅(−12)2⋅0=2
c2=2⋅(−12)2⋅1=2⋅14=12
c3=2⋅(−12)2⋅2=2⋅116=18
...

Zatem widzimy, że c1=2, a q=c2c1=c3c2=…=14. Otrzymujemy:

S10=2⋅1−(14)101−(14)=2⋅1−(14)1034=2⋅43⋅(1−(14)10)=83⋅[1−(14)10]

Wyznaczmy wzór ogólny na sumę n kolejnych elementów ciągu (dn), w którym d1=3 i q=5. Ponieważ q≠1 możemy ze znanego nam już twierdzenia powiedzieć, że:

Sn=d1⋅1−qn1−q=3⋅1−5n1−5=3⋅(−1)⋅(5n−1)(−1)⋅4=3⋅5n−14.

Na koniec spróbujmy udowodnić, że ten wzór jest poprawny, nie odwołując się do wcześniej przedstawionego twierdzenia. Wypiszemy najpierw założenia i tezę, a potem przedstawimy dowód.

Założenia:

dk=3⋅5k−1
Sn=d1+d2+d3+…+dn=3+3⋅51+3⋅52+3⋅53+…+3⋅5(n−1).


Teza:

Sn=3⋅5n−14


Dowód:

Sumę Sn=3+3⋅51+3⋅52+3⋅53+…+3⋅5(n−1) możemy wymnożyć przez q=5:

5Sn=3⋅51+3⋅52+3⋅53+…+3⋅5n

Teraz odejmijmy od siebie obydwie sumy:

Sn = 3 + 3⋅51 + 3⋅52 + 3⋅53 + … + 3⋅5(n−1)
− 5Sn = 3⋅51 + 3⋅52 + 3⋅53 + … + 3⋅5(n−1) + 3⋅5n
−4Sn = 3 + 0 + 0 + 0 + 0 + 0 − 3⋅5n


Czyli −4Sn=3−3⋅5n=3(1−5n), po podzieleniu przez -4 dochodzimy do:

Sn=3⋅1−5n−4=3⋅5n−14,

a co chcieliśmy udowodnić.


Szablon:Nawigacja