Геометрична прогресия

От testwiki
Направо към навигацията Направо към търсенето

Геометрѝчна прогрèсия в математиката е редица от числа, в която първото число е различно от нула, а всяко следващо число е получено от предишното чрез умножение с константа, различна от нула. Тази константа се нарича частно, а числата – членове на прогресията.

За всяка геометрична прогресия a1,a2,...,an,... е в сила равенството an=an−1q, където a1≠0, q≠0 е частното на прогресията, n∈ℕ,n⩾2.[1] Очевидно една геометрична прогресия е напълно определена, ако се знаят първия ѝ член и нейното частно. В този смисъл тя е рекурсивна редица.

Например редицата 2, 4, 8, 16, 32, ... е геометрична прогресия с първи член 2 и частно 2, а геометричната прогресия 40, 20, 10, 5, ... е с първи член 20 и частно 1/2. Първата е пример за нарастваща, а втората – за намаляваща прогресия.

Диаграма, илюстрираща три основни геометрични прогресии от модела 1(rn−1) до 6 повторения в дълбочина. Първият блок е единичен блок, а пунктираната линия представлява безкрайна сума на прогресията – число, към което тя ще се приближава, но никога няма да го достигне: 2, 3/2, и 4/3 съответно.[2]
Конструиране на триъгълника на Серпински. Това е фрактал. Броят на черните триъгълници, дължината на страната им, индивидуалната им площ и площта на покритата област следват геометрични прогресии със съответни съотношения 3, 1/2, 1/4, 3/4.

Геометричната прогресия е известна още с имената геометрична редица (от английски geometric sequence) и кратна прогресия (от руски кратная прогрессия).

Формули за общия член и частното

Формулата за n-тия член на прогресията е рекурентното съотношение an=a1qn−1.
Получава се като се изразява всеки член чрез определението за геометрична прогресия и се прилага методът на математичната индукция за n-тия член:

a2=a1qa3=a2q=(a1q)⋅q=a1q2a4=a3q=(a1q2)⋅q=a1q3⋮an=an−1q=(a1qn−2)⋅q=a1qn−1

Обобщена формула за общия член:

an=ak⋅qn−k, където k<n;∀n,∀k∈ℕ.

Формулите за частното следват от определението за геометрична прогресия: q=anan−1=an+1an;

q=anakn−k, където k<n;∀n,∀k∈ℕ.

Тук трябва да се приеме q≠0, тъй като в противен случай съотношението an+1an не би съществувало за всички съседни членове.[Бел. 1]

Анализ на частното

  • q>1: клоняща към плюс или минус безкрайност редица в зависимост от знака на първия член
    (напр. 1, 3, 9, 27, ... →+∞ или -1, -4, -16, -64, ... →−∞);
  • 0<q<1: редицата клони към 0 (напр. прогресиите +5, 1, 15, 125, 1125, …→0 или −4, −1, −14, −116, 164, …→0;
  • q<0: ще се получи редуване на положителни и отрицателни числа;
  • −1<q<0: редицата клони към нула с редуващи се положителни и отрицателни членове:

+1, −12, +14, −18, +116, −132, +164, −1128, +1256, …→0.
Като цяло, an=1⋅(−12)n=(−1)n/2n;

  • q<−1: могат да се разглеждат 2 редици: нечетните номера клонят към плюс безкрайност, а четните – към минус безкрайност, или обратно в зависимост от знака на първия член. Например при q=−3: прогресията 2, -6, 18, -54, 162, -486, ... е съставена от редиците 2, 18, 162, ... →+∞ и
    -6, -54, -486, ... →−∞ или прогресията -1, 3, -9, 27, -81, 243, ... е съставена от редиците
    -1, -9, -81, ... →−∞ и 3, 27, 243, ... →+∞;
  • q=1: редицата е съставена от константи, равни на първия член (6,6,...,6);
  • q=−1: редицата е съставена от константи, равни или противоположни на първия член, в зависимост от четността на поредния номер (напр. −π, π, −π, π, ...);
  • q=0: редицата се състои само от нули, с изключение на първия член.

Сходимост на геометричните прогресии

В изследването на границата на безкрайна геометрична последователност (a1qn) трябва да се разграничават различните случаи: За a1=0 постоянната последователност 0,0,… е сходяща и равна на нула. За a1≠0 сходимостта зависи от частното q:

Случай 1: За q=−1 следващите членове винаги се изменят скокообразно напред-назад между a1 и −a1, така че геометричната прогресия е разходяща.

Случай 2: За q=1 постоянната последователност a1,a1,…, е сходяща и равна на a1.

Случай 3: За |q|>1 всеки следващ член an+1=an⋅q е по-голям от предишния an+1>an при q>1 и по-малък от него an+1<an при q<−1. В обобщение |an+1|>|an| и прогресията е разходяща.

Случай 4: За |q|<1 се получава 1|q|>1, така
(1)1|q|=1+δ за δ>0.

Сега, ако ε>0, тогава според аксиомата на Архимед съществува N∈ℕ, така че

(2)nδ>1/ε за всички n>N.

От (1) и (2), заедно с неравенството на Бернули, следва:

(1/|q|)n=(1+δ)n≥1+nδ≥nδ>1/ε за всички n>N.

Така |qn|=|q|n<ε за всички n>N.

Това означава, че (qn) е нулева редица. Но тогава и (a1qn) също се стреми към нула и прогресията е сходяща.

Видове геометрични прогресии

Геометричните прогресии не се делят на различни видове като отделни категории, а се класифицират по своята монотонност според характеристиките на техните членове и частното q, което е отношение на последователни членове. Ако всеки член на геометричната прогресия е по-голям от предишния, тогава прогресията се нарича „нарастваща“; ако е по-малък от предишния, тогава тя се нарича „намаляваща“.[3]

Нарастващи

Геометричната прогресия е нарастваща или растяща, ако се изпълнява един из наборите условия:

a1>0 и q>1 (напр. 2, 4, 8, 16, ... ; q = 2) – всички членове са положителни и нарастват

или

a1<0 и 0<q<1 (напр. -81, -27, -9, -3, ... ; q = -3) – всички членове са отрицателни и нарастват.

Такава прогресия се нарича още монотонно растяща.

Намаляващи

Геометричната прогресия е намаляваща, ако се изпълнява един от наборите условия:

a1>0 и 0<q<1 (напр. 24, 8, 3, 1/3, ... ; q=1/3) – всички членове са положителни и намаляват

или

a1<0 и q>1 (напр. -1/32, -1/16, -1/8, -1/4, ... ; q=2) – всички членове са отрицателни и намаляват.

Такава прогресия се нарича още монотонно намаляваща.

Доказателство за нарастващи и намаляващи геометрични прогресии: Записва се разликата между (n+1)-ия и n-ия член на геометричната прогресия по формулата за общия член:

an+1−an=a1⋅qn−1⋅(q−1).

За нарастваща прогресия тази разлика трябва да е положителна, независимо от номера n, а за намаляваща – отрицателна. Условията, записани в доказаното твърдение, гарантират, че разликата между членовете an+1 и an ще имат определен знак.

Постоянни (стационарни)

Частният случай, при който отношението q = 1. Всички членове са еднакви и равни на първия член (напр. 5, 5, 5, 5, ...).

Знакоредуващи се (алтернативни)[4]

Частният случай, при който отношението q < 0. Членовете редуват знаците си, а прогресията е нито растяща, нито намаляваща.

При a1>0:

  • ако 0>q>−1 (напр. 3, −1, +13, −19, +127, −181, …;q=−13), нечетните членове образуват намаляваща, а четните – растяща геометрична прогресия.
  • ако q<−1 (напр. 2, −4, 8, −16, 32, −64, ...;q=−2), нечетните членове образуват растяща, а четните – намаляваща геометрична прогресия.

При a1<0:

  • ако 0>q>−1 (напр. −53, +56, −512, +524, −548, +596, …;q=−12), нечетните членове образуват растяща, а четните – намаляваща геометрична прогресия.
  • ако q<−1 (напр. −1, 5, −25, 125, ...;q=−5), нечетните членове образуват намаляваща, а четните – растяща геометрична прогресия.
Видове геометрични прогресии
a1>0 q>1 нарастваща
0<q<1 намаляваща
a1<0 q>1 намаляваща
0<q<1 нарастваща
q=1 постоянна
q<0 знакоредуваща се

Свойства

  • Всеки член на геометричната прогресия след първия е средно геометричен на съседните си членове, т. е. an2=an−1an+1 за всяко n≥2. От тук идва името геометрична прогресия:
an−1⋅an+1=a1qn−1⋅a1qn+1=a12q2n=(a1qn)2=an2,

откъдето

an=an−1⋅an+1.

Може да се докаже и по обратния път:

an2=anan=a1qn−1a1qn−1=a1qn−1−ia1qn−1+i=an−ian+i.

По-точна е следната формулировка на характеристичното свойство: Модулът на всеки член на геометрична прогресия, с изключение на първия, е равен на средната геометрична стойност (пропорционална средна стойност) на двата члена до него[Бел. 2]

|an|=an−1an+1,
  • В сила е и обратното твърдение, което е признак за геометрична прогресия: ако a1,a2,...,an,... е числова редица с ненулеви членове, в която всеки член след първия е средно геометричен на съседните си членове, то тази редица е геометрична прогресия.

Даденият признак може да се разшири за други случаи.
Ако членовете на геометричната прогресия са отрицателни, се получава an=−an−1⋅an+1, където n⩾2.

Ако знаците на членовете на прогресията се редуват, получаваме an=(−1)n+jan−1⋅an+1, където j=0 или j=1 и n⩾2.

  • Нека ak,al,am са съответно k-ти, l-ти и m-ти членове на геометрична прогресия, където k,l,m∈ℕ. Тогава за всяка такава тройка е валидно допълнителното свойство на геометрична прогресия, наречено тъждество на геометрична прогресия:
akl−m⋅alm−k⋅amk−l=1.
log⁡(an)=log⁡(a1qn−1)=log⁡(a1)+(n−1)⋅log⁡(q)

Формула за общия член на аритметична прогресия: bn=b1+(n−1)⋅d.
В нашия случай b1=log⁡(a1), d=log⁡(q).

Графична интерпретация

Ако нанесем точки с координати (n;an) върху координатна равнина, където n е естествено число и an е n-тият член на някаква геометрична прогресия, за която q>0, тогава всички точки ще принадлежат на графиката на функцията

y=a1⋅qx−1=a1q⋅qx,

където q е частното на геометричната прогресия, а a1 е първият ѝ член.[3] Това означава, че е валидна следната теорема:

За да бъде една редица {an} геометрична прогресия за q>0, е необходимо и достатъчно an да е експоненциална функция (на n), дефинирана върху множеството от естествени числа.[3]
Примери
Получаване на нови квадрати чрез свързване на средните точки на страните на предишни квадрати
  • Последователността от квадратни площи, където всеки следващ квадрат се получава чрез съединяване на средните точки на страните на предишния, е безкрайна геометрична прогресия с частно 1/2. Площите на триъгълниците, получени на всяка стъпка, също образуват безкрайна геометрична прогресия със знаменател 1/2, чийто сбор е равен на площта на началния квадрат.[2]Шаблон:Rp
  • Последователността на броя на зърната в квадратите в задачата за зърната на шахматна дъска е геометрична прогресия.

Сума на геометрична прогресия

Визуално доказателство на формулата за сума на първите n члена на геометрична прогресия.
Шаблон:Nowrap терминът r n изчезва, оставяйки Шаблон:Nowrap

Сумата на първите n члена на геометричната прогресия е

Sn=a1+a2+a3+…+an=∑i=1nai

или, записана подробно,

(3)Sn=a1+a1q+a1q2+a1q3+…+a1qn−1.

Умножаваме двете страни на (1) с частното q и получаваме

(4)qSn=a1q+a1q2+a1q3+a1q4+…+a1qn.

Изваждаме (4) от (3) и намираме

(5)Sn−qSn=a1−a1qn⇒(1−q)Sn=a1(1−qn).

Оттук, ако q≠1, се получава формулата за сума на първите n члена на геометрична прогресия:

(6)Sn=a1(1−qn)(1−q).

Формулата е удобна ако q<1. При q>1 тя може да се изведе като се извади (3) от (4) и се получава във вида

(7)Sn=a1(qn−1)(q−1).

В частност при q=1 имаме

(8)Sn=a1+a2+…+an=a1+a1+…+a1⏟n=na1.

Геометричен ред

Сумата на безкрайната геометрична прогресия
1 + 1/2 + 1/4 + 1/8 + 1/16 + 1/32 + ... клони към 2.

Шаблон:Основна

Геометричният ред е сбор от безкраен брой членове, който има постоянно съотношение между последователните си членове

(9)a+aq+aq2+aq3+⋯=∑n=0∞aqn.

Това е сума на безкрайна геометрична прогресия.

При a1>0 и |q|<1 прогресията е намаляваща и нейната n-та (частична, парциална) сума се дава с (6). Ако имаме още, че n→∞, то е изпълнено qn→0 и тогава под сума на прогресията се разбира границата

(10)limn→∞Sn=limn→∞a1(1−qn)1−q=a11−q.

Равенството (10) е известно като сума на безкрайно намаляваща геометрична прогресия.

Свойства на сумата на геометрична прогресия

an+1=Sn+1−Sn;
Sn=σn⋅a1an,

където σn е сумата от реципрочни числа, т.е. σn=1a1+1a2+⋯+1an−1+1an.

Произведение на геометрична прогресия

Произведението на първите n члена на геометрична прогресия е

Pn=a1a2a3⋅⋅⋅an=∏k=1nak=a1⋅a1q⋅a1q2⋯a1qn−1.

Оттук лесно получаваме, че Pn=a1nq1+2+3+⋅⋅⋅+n−1.

Сумата в степенния показател на q е всъщност сума на аритметична прогресия с първи член b1=1, разлика d=1 и последен член bn−1=n−1 и е числено равна на (n−1)n2=n2−n2. Така произведението на първите n члена на геометрична прогресия (за която предполагаме, че са изпълнени условията a1≠0,q≠0) се дава с формулата

(10)Pn=a1nqn2−n2.

Тя може да се преобразува във вида
Pn=a1nqn2−n2=a1n2a1n2qn(n−1)2=(a1a1qn−1)n2, или окончателно

(11)Pn=(a1an)n2.

Произведението на членовете на геометрична прогресия, започвайки с k-тия член и завършвайки с n-тия член, може да се изчисли по формулата

Pk,n=PnPk−1.

Доказателство:
Pk,n=∏i=knai=∏i=1nai∏j=1k−1aj=PnPk−1.

Свойства на произведението на геометрична прогресия

Произведението на първите n члена на геометричната прогресия {an} се нарича произведението от a1 до an и е израз от вида Pn=∏i=1nai=a1⋅a2⋅a3⋅…⋅an−2⋅an−1⋅an.

  • Pn=a1n⋅qn(n−1)2
  • an+1=Pn+1Pn
  • P2n=Pn⋅P3n3
  • Pkl−mk⋅Plm−kl⋅Pmk−lm=1.

Примери за приложения

Геометричната прогресия описва процеси на нарастване или намаляване, в които измерената стойност на променливата в (n+1)-ия момент от време се получава от тази в n-ия момент от време чрез умножение по постоянно число q.

Шаблон:Основна При лихвен процент 5 % вложените пари се увеличават всяка година с коефициент 1,05. По този начин капиталът се развива от година на година като членовете на геометрична прогресия с частно q=1,05. В този случай числото q означава нарастването на главницата при съответния лихвен процент. С начален капитал от 1000 евро тогава се получава:

  • след една година
1000 евро ⋅1,05=1050 евро
  • след две години
1000 евро ⋅1,052=1102,50евро
  • след три години
1000 евро ⋅1,053=1157,63евро

и така нататък.

Нееластичен удар

Една топка пада на земята от начална височина h0. След всяко съприкосновение със земята тя отскача обратно нагоре, но губи фиксиран процент p% от височината на скока си поради триене. След n удара височините на скока на топката hn образуват геометрична прогресия с първоначален член h0 и частно q=1−p%.

Настройка на равно ниво

Шаблон:Основна

Геометрична прогресия се среща и в музикологията. Започвайки от определена начална честота, последователността от октави съответства на геометрична прогресия със съотношение 2 (насочваща се към дискантите), последователността от чисти квинти (тези от Питагоровия акорд) – на геометрична прогресия със съотношение 3/2, последователността от полутонове на темперирания строй – на геометрична прогресия със съотношение корен 12-и от 2. Темперираният строй използва само 12 чисти квинти, (3/2)12 ≈ 129,746, които са на стойност „почти“ 7 октави, 27 = 128, т.е. две геометрични прогресии с еднаква начална стойност, едната със съотношение 3/2, другата със съотношение 2, които не могат да съвпадат точно в която и да е точка, съвпадат приблизително за тези стойности.

Има няколко начина, по които може да се настрои музикален инструмент. Един от тях е настройка на едно и също ниво. В него честотното съотношение между два съседни тона винаги е постоянно. При дванадесет звука в октавата, настройката на n-ия тон тук е:

f(n)=a0⋅(212)n,

където a0 е „оригиналният тон“ от честотата на камертона, а за i-тото полутонно стъпаловидно разстояние до тона на камертона f(i) е честотата на желания звук.

Така че коефициентът на растеж е q=212.

Ред на Ренар

Шаблон:Основна

Редовете на Ренар са система от предпочитани числа, разделящи интервал от 1 до 10 на 5, 10, 20 или 40 стъпки. Множителят между две последователни числа в ред на Ренар е приблизително постоянен (преди закръгляване), а именно 5-ти, 10-ти, 20-ти или 40-ти корен от 10 (съответно приблизително 1,58, 1,26, 1,12 и 1,06), което води до геометрична прогресия (R5, R10, R20. R40).[5] Този набор от предпочитани числа е предложен около 1877 г. от френския армейски инженер полковник Шарл Ренар и е публикуван в инструкция от 1886 г. за пленени балонни войски. Неговата система е приета от ISO през 1949 г., за да се формира препоръката R3 на ISO, публикувана за първи път през 1953 г. или 1954 г., която се е превърнала в международния стандарт ISO 3.[5] Едно приложение на числовата редица на Ренард е номиналният ток на електрически предпазители (напр. R10: 1 A, 2 A, 4 A, 5 A, 10 A, 16 A, 20 A, 25 A, 30 A, 40 A, 50 A, 63 A, 100 A, 200 A). Друго често срещано приложение е номиналното напрежение на кондензаторите (напр. R5: 100 V, 160 V, 250 V, 400 V, 630 V).

Е-серии

Шаблон:Основна

Стандартни номинални Е-серии се наричат поредици от числа, установени от стандартите, които определят номиналните стойности (номинали) на основните параметри на произвежданите пасивни електронни елементи (резистори, кондензатори, индуктивни бобини).

Номиналните стойности в една серия с номер N образуват геометрична прогресия с първи член 1 и частно 101/N. Така всяка от тях може да се получи от предходната чрез умножаване с частното или от следващата чрез разделяне на 101/N. Получените стойности от изчисленията от 1 до 10 се закръглят с точност, определена от номера на серията.

Всеки номинал от N-тата серия може да се определи по формулата за n-тия член на геометричната прогресия:

an=10n/N=exp⁡(nN⋅ln⁡10),

където номерът на серията N=2i.3 ,
при i=0, 1, 2, ..., 6  се получава  N=3, 6, 12, 24, 48, 96, 192;

n=0, 1, 2, ..., N означава поредния номер на номинала в серията.[6]
Геометрична прогресия от два цикъла стандартни съпротивления на резистори от 1 до 82 Ω от серия E12 с експоненциално изменение.

Вижте също

Източници

  1. ↑ Геометрическая прогрессия Шаблон:Wayback на mathematics.ru
  2. ↑ 2,0 2,1 Шаблон:Цитат уеб
  3. ↑ 3,0 3,1 3,2 Шаблон:Cite book
  4. ↑ Геометрическая прогрессия – БСЭ, 3-е издание.
  5. ↑ 5,0 5,1 Шаблон:Cite book (Replaced: Шаблон:Cite book (July 1953))
  6. ↑ Бодиловский В.Г., Смирнов М.А. – Справочник молодого радиста – издание 3-е перераб. и доп., М., издателство „Высшая школа“, 1976.

Бележки

  1. ↑ Ако q=0 беше постоянното съотношение на редицата a1,a2,a3,…, тогава в частност a2a1=0, което би довело до a2=0. Това обаче би означавало, че съотношението a3a3 изобщо не би било дефинирано поради забраната за деление на нула.
  2. ↑ Ако геометричната прогресия е крайна редица, тогава последният ѝ член няма това свойство.
  3. ↑ Коефициентът на растеж е константното частно (отношение) на два последователни члена на геометрична редица q=anan−1. При q>1 растежът е положителен, а при 0<q<1 – отрицателен. За геометрични редици с q<0 терминът „коефициент на растеж“ не се използва.

Литература

  • Корн Г., Корн Т. – Справочник по математике для научных работников и инженеров. – Москва : Наука, 1973. – 832 с. (на руски)
  • Елементарна математика. Алгебра. Новітні інформаційні технології навчання (Maple)/ В.М.Михалевич, А.Ф. Дода; Вінниц. нац. техн. ун-. – Вінниця : ВНТУ, 2010 Шаблон:Webarchive (на украински).
  • Ляшко І.І., Ємельянов В.Ф., Боярчук О.К. – Математичний аналіз. Частина 1. – К. : Вища школа, 1992. – 496 с. – ISBN 5-11-003757-4 (на украински).
  • Ляшко І. І., Боярчук О. К., Гай Я. Г., Головач Г. П. – Математичний аналіз в прикладах і задачах. – 2025. – 1000+ с. (на украински).
  • Jochen Schwarze: Mathematik für Wirtschaftswissenschaftler. Band 1: Grundlagen. 12. Auflage. NWB Verlag, Herne / Berlin 2005, ISBN 3-482-51562-X, S. 166 (на немски).
  • Walter Purkert, Alexander Herzog: Brückenkurs Mathematik für Wirtschaftswissenschaftler. 9. Auflage. Springer Gabler, Wiesbaden 2022, ISBN 978-3-658-36741-1, S. 106 (на немски).
  • Eric W. Weisstein: Geometric Sequence. MathWorld, abgerufen am 10. November 2019 (на английски).