De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
În matematică , o serie geometrică este o serie astfel încât relația dintre doi termeni succesivi este constantă.
Definiție
Seria geometrică este o serie de tip {\ displaystyle \ sum _ {k = 0} ^ {\ infty} x ^ {k}} . În mod echivalent, poate fi definit ca limita succesiunii sumelor parțiale {\ displaystyle \ {s_ {n}: n \ in \ mathbb {N} \}} , in care:
- {\ displaystyle s_ {n} = \ sum _ {k = 0} ^ {n} x ^ {k} = 1 + x + x ^ {2} + \ dots + x ^ {n}.}
Suma parțială {\ displaystyle n} -thth dintr-o serie geometrică este, prin urmare, suma pentru {\ displaystyle k} variind de la zero la {\ displaystyle n} din {\ displaystyle x ^ {k}} . Raportul dintre fiecare termen al sumei și termenul anterior este constant egal cu {\ displaystyle x} și se spune motivul seriei .
Acest tip de serie apare cu o frecvență deosebită în analiza algoritmilor ; în multe cazuri, valoarea acestuia din urmă poate fi calculată direct cu formulele ilustrate mai jos. Una dintre cele mai frecvente expresii este tocmai suma parțială a seriei geometrice cunoscute.
Formule
Putem dovedi asta {\ displaystyle \ sum _ {k = 0} ^ {n} x ^ {k} = {\ frac {1-x ^ {n + 1}} {1-x}}} în diverse feluri.
Observăm că această formulă este valabilă pentru {\ displaystyle x \ neq 1} , de sine {\ displaystyle x = 1} suma este banală {\ displaystyle 1 + n} .
Dacă seria nu începe de la, ci de la un alt termen {\ displaystyle m} , asa de
- {\ displaystyle \ sum _ {k = m} ^ {n} x ^ {k} = {\ frac {x ^ {m} -x ^ {n + 1}} {1-x}}}
Prin derivarea sumei cu privire la {\ displaystyle x} puteți găsi formule pentru astfel de sume
- {\ displaystyle \ sum _ {k = 0} ^ {n} k ^ {s} x ^ {k}}
de exemplu:
- {\ displaystyle {\ frac {d} {dx}} \ sum _ {k = 0} ^ {n} x ^ {k} = \ sum _ {k = 0} ^ {n} kx ^ {k-1} = {\ frac {1-x ^ {n + 1}} {(1-x) ^ {2}}} - {\ frac {(n + 1) x ^ {n}} {1-x}}}
Comportamentul seriei
Seria are următorul caracter:
- divergent pentru {\ displaystyle x \ geq 1} pentru ca ai {\ displaystyle s_ {n} = 1 + x + x ^ {2} + \ dots + x ^ {n} \ geq nx + 1} iar prin teorema comparației diverg;
- nedeterminat pentru {\ displaystyle x <-1} pentru ca ai {\ displaystyle s_ {n} = {\ frac {x ^ {n + 1} -1} {x-1}}} Și {\ displaystyle \ lim _ {n \ to + \ infty} x ^ {n}} nu există (unele texte raportează, pentru acest caz, caracterul divergent, ceea ce înseamnă că {\ displaystyle | s_ {n} | \ to + \ infty} );
- nedeterminată în cauză {\ displaystyle x = -1} , deoarece funcția sumă oscilează între {\ displaystyle 1} Și {\ displaystyle 0;}
- convergent când {\ displaystyle | x | <1.}
Dacă într-adevăr {\ displaystyle | x | <1} suma seriei există și este valabilă
- {\ displaystyle \ sum _ {k = 0} ^ {\ infty} x ^ {k} = \ lim _ {n \ to \ infty} \ sum _ {k = 0} ^ {n} {x} ^ {k } = \ lim _ {n \ to \ infty} {{1-x ^ {n + 1}} \ over {1-x}} = {\ frac {1} {1-x}}.}
Această ultimă formulă este valabilă în orice algebră Banach cu condiția ca norma de {\ displaystyle x} e mai puțin decât {\ displaystyle 1} și, de asemenea, în domeniul numerelor p-adic se {\ displaystyle | x | _ {p} <1} . În special este valabil în câmpul numerelor complexe cu definiția obișnuită a valorii absolute .
Dovadă alternativă |
---|
Are asta {\ displaystyle S = \ sum _ {n = 0} ^ {\ infty} x ^ {n} = 1 + x + x ^ {2} + x ^ {3} + \ dots} ; asa de {\ displaystyle xS = x (1 + x + x ^ {2} + x ^ {3} + \ dots) = x + x ^ {2} + x ^ {3} + x ^ {4} + \ dots = \ sum _ {n = 0} ^ {\ infty} x ^ {n} -1 = S-1.} Prin urmare, este adevărat {\ displaystyle xS = S-1 \ rightarrow S-xS = 1 \ rightarrow S (1-x) = 1.} În acest moment, dacă și numai dacă {\ displaystyle | x | <1} , are sens să scrii: {\ displaystyle S = {\ frac {1} {1-x}}} , cvd |
Ca și în cazul sumelor finite, putem obține seria pentru a găsi formule pentru sume analoage. De exemplu:
- {\ displaystyle {\ frac {d} {dx}} \ sum _ {k = 0} ^ {\ infty} x ^ {k} = \ sum _ {k = 0} ^ {\ infty} kx ^ {k- 1} = {\ frac {1} {(1-x) ^ {2}}}.}
Această formulă este, desigur, valabilă numai pentru {\ displaystyle | x | <1} .
Estimarea sumei
Pentru a estima suma geometrică finită cunoscând cea infinită, rupem seria după cum urmează
- {\ displaystyle \ sum _ {i = 0} ^ {n} x ^ {i} + \ sum _ {i = n + 1} ^ {\ infty} x ^ {i},}
amintindu-ne că seria geometrică are o sumă egală cu {\ displaystyle {\ frac {1} {1-x}}} obținem asta
- {\ displaystyle \ sum _ {i = 0} ^ {n} x ^ {i} = \ sum _ {i = 0} ^ {\ infty} x ^ {i} - \ sum _ {i = n + 1} ^ {\ infty} x ^ {i} = {\ frac {1} {1-x}} - x ^ {n + 1} \ sum _ {i = 0} ^ {\ infty} x ^ {i} = {\ frac {1-x ^ {n + 1}} {1-x}}.}
Serii geometrice trunchiate
Dacă apare asta {\ displaystyle f_ {n} (x) = \ sum _ {i = 0} ^ {n} x ^ {i}} avem asta:
- {\ displaystyle f_ {n} (1) = \ lim _ {x \ to 1} {\ frac {1-x ^ {n + 1}} {1-x}} = n + 1.}
Functia {\ displaystyle f_ {n} (x)} se numește o serie geometrică trunchiată . Seria geometrică trunchiată stă la baza estimărilor sumelor foarte complexe. Folosind operatorul {\ displaystyle xD} (unde cu {\ displaystyle D} derivatul este indicat) avem că
- {\ displaystyle xDf_ {n} (x) = xD (\ sum _ {i = 0} ^ {n} x ^ {i}) = x \ sum _ {i = 0} ^ {n} ix ^ {i- 1} = \ sum _ {i = 1} ^ {n} ix ^ {i}.}
referindu-se la seria geometrică trunchiată. Așa că o ai
- {\ displaystyle \ sum _ {i = 1} ^ {n} ix ^ {i} = xD (f_ {n} (x)) = {\ frac {nx ^ {n + 2} - (n + 1) x ^ {n + 1} + x} {(1-x) ^ {2}}}.}
Exemple
Vrem să calculăm următoarea sumă:
- {\ displaystyle \ sum _ {k = 1} ^ {n} k2 ^ {k}.}
Să luăm în considerare funcția
- {\ displaystyle t_ {n} (x) = \ sum _ {k = 0} ^ {n} x ^ {k}}
și observăm că derivata sa este dată de
- {\ displaystyle t_ {n} '(x) = \ sum _ {k = 1} ^ {n} kx ^ {k-1},}
aceasta înseamnă că
- {\ displaystyle 2t_ {n} '(2) = \ sum _ {k = 1} ^ {n} k2 ^ {k},}
și, prin urmare, problema noastră se reduce la evaluarea derivatei de {\ displaystyle t_ {n} (x)} în {\ displaystyle 2} . Atâta timp cât {\ displaystyle t_ {n} (x) = {{x ^ {n + 1} -1} \ over {x-1}},} pentru fiecare {\ displaystyle x \ neq 1,} noi obținem
- {\ displaystyle t_ {n} '(x) = {{(n + 1) x ^ {n} (x-1) -x ^ {n + 1} +1} \ over {(x-1) ^ { 2}}},}
si in consecinta
- {\ displaystyle \ sum _ {k = 0} ^ {n} k2 ^ {k} = 2t_ {n} '(2) = 2 {{(n + 1) 2 ^ {n} (2-1) -2 ^ {n + 1} +1} \ over {(2-1) ^ {2}}} = (n-1) 2 ^ {n + 1} +2.}
Bibliografie
- Giulio Barozzi, Primul curs de analiză matematică , Zanichelli Editore , ISBN 8808011690
- Paolo Marcellini , Carlo Sbordone , Mathematical Analysis One , Liguori Editore, Napoli, 1998, ISBN 9788820728199 , paragraful 106.
Elemente conexe
linkuri externe