Сумма всех натуральных чисел может быть записана с использованием следующего числового ряда

Этот, на первый взгляд, совершенно противоречащий интуиции результат, тем не менее может быть строго доказан. Но прежде, чем говорить о доказательстве, нужно сделать отступление и вспомнить основные понятия.

Начнём с того, что «классической» суммой ряда называется предел частичных сумм ряда, если он существует и конечен. Подробности можно найти в википедии и соответствующей литературе. Если конечный предел не существует, то ряд называется расходящимся.

Например, частичная сумма первых k членов числового ряда 1 + 2 + 3 + 4 +… записывается следующим образом

Нетрудно понять, что эта сумма неограниченно растёт при стремлении k к бесконечности. Следовательно, исходный ряд является расходящимся и, строго говоря, не имеет суммы. Существует, однако, множество способов присвоить конечное значение расходящимся рядам.

Ряд 1+2+3+4+… далеко не единственный из расходящихся рядов. Возьмём, например, ряд Гранди

Который тоже расходится, но известно, что метод суммирования Чезаро позволяет присвоить этому ряду конечное значение 1/2. Суммирование по Чезаро заключается в оперировании не частичными суммами ряда, а их арифметическими средними. Позволив себе порассуждать в вольном стиле, можно сказать, что то частичные суммы ряда Гранди осцилируют между 0 и 1, в зависимости от того какой член ряда является последним в сумме (+1 или -1), отсюда и значение 1/2, как арифметическое среднее двух возможных значений частичных сумм.

Другим интересным примером расходящегося ряда является знакопеременный ряд 1 - 2 + 3 - 4 +... , частичные суммы которого также осцилируют. Суммирование методом Абеля позволяет присвоить данному ряду конечное значение 1/4. Отметим, что метод Абеля является, своего рода, развитием метода суммирования по Чезаро, поэтому результат 1/4 несложно осмыслить с точки зрения интуиции.

Здесь важно отметить, что методы суммирования не являются трюками, которые придумали математики, чтобы как-то совладать с расходящимися рядами. Если вы примените суммирование по Чезаро или метод Абеля к сходящемуся ряду, то ответ, который дают эти методы, равен классической сумме сходящегося ряда.

Ни суммирование по Чезаро, ни метод Абеля, однако, не позволяют работать с рядом 1 + 2 + 3 + 4 +..., т. к. средние арифметические частичных сумм, равно как и средние арифметические средних арифметических, расходятся. Кроме того, если значения 1/2 или 1/4 ещё как-то можно принять и соотнести с соответствующими рядами, то -1/12 сложно связать с рядом 1 + 2 + 3 + 4 +..., представляющим собой бесконечную последовательность положительных целых чисел.

Существует несколько способов прийти к результату -1/12. В этой заметке я лишь кратко остановлюсь на одном из них, а именно регуляризации дзета-функцией . Введём дзета-функцию

Подставляя s = -1 , получим исходный числовой ряд 1+2+3+4+…. Проделаем над этой функцией ряд несложных математических действий

Где является эта-функцией Дирихле

При значении s = -1 эта-функция становится уже знакомым нам рядом 1 - 2 + 3 - 4 + 5 -… «сумма» которого равна 1/4. Теперь мы можем легко решить уравнение

Интересно, что этот результат находит своё применение в физике. Например, в теории струн. Обратимся к стр. 22 книги Joseph Polchinski «String Theory»:

Если для кого-то теория струн не является убедительным примером в силу отсутствия доказательств множества следствий этой теории, то можно также упомянуть, что похожие методы фигурируют в квантовой теории поля при попытке рассчитать эффект Казимира .

Чтобы два раза не ходить, ещё пара интересных примеров с дзета-функцией

Для тех, кто захочет получить больше информации по теме отмечу, что написать данную заметку я решил после перевода соответствующей статьи на википедии , где в разделе «Ссылки» вы сможете найти массу дополнительного материала, в основном на английском языке.

Для того, чтобы вычислить сумму ряда , нужно просто сложить элементы ряда, заданное количество раз. Например:

В приведённом выше примере это удалось сделать очень просто, поскольку суммировать пришлось конечное число раз. Но что делать, если верхний предел суммирования бесконечность? Например, если нам нужно найти сумму вот такого ряда:

По аналогии с предыдущим примером, мы можем расписать эту сумму вот так:

Но что делать дальше?! На этом этапе необходимо ввести понятие частичной суммы ряда . Итак, частичной суммой ряда (обозначается S n ) называется сумма первых n слагаемых ряда. Т.е. в нашем случае:

Тогда сумму исходного ряда можно вычислить как предел частичной суммы:

Таким образом, для вычисления суммы ряда , необходимо каким-либо способом найти выражение для частичной суммы ряда (S n ). В нашем конкретном случае ряд представляет собой убывающую геометрическую прогрессию со знаменателем 1/3. Как известно сумма первых n элементов геометрической прогрессии вычисляется по формуле:

здесь b 1 - первый элемент геометрической прогрессии (в нашем случае это 1) и q - это знаменатель прогрессии (в нашем случае 1/3). Следовательно частичная сумма S n для нашего ряда равна:

Тогда сумма нашего ряда (S ) согласно определению, данному выше, равна:

Рассмотренные выше примеры являются достаточно простыми. Обычно вычислить сумму ряда гораздо сложнее и наибольшая трудность заключается именно в нахождении частичной суммы ряда. Представленный ниже онлайн калькулятор, созданный на основе системы Wolfram Alpha, позволяет вычислять сумму довольно сложных рядов. Более того, если калькулятор не смог найти сумму ряда, вероятно, что данный ряд является расходящимся (в этом случае калькулятор выводит сообщение типа "sum diverges"), т.е. данный калькулятор также косвенно помогает получить представление о сходимости рядов.

Для нахождения суммы Вашего ряда, необходимо указать переменную ряда, нижний и верхний пределы суммирования, а также выражение для n -ого слагаемого ряда (т.е. собственно выражение для самого ряда).

Дэвид Берман, Марианна Фрейбергер

Недавно обсуждался очень странный результат. Утверждается, что, когда вы сложите все натуральные числа

то сумма будет равна . Данная идея демонстрируется в видео Numberphile , где утверждается, что результат доказан, а также рассказывается, что он повсеместно используется в физике. Данная идея так поразила людей, что она даже попала в “Нью-Йорк Таймс’’ . Итак, что же все это значит?

Математика

Прежде всего, бесконечная сумма всех натуральных чисел не равна . Вы можете легко убедиться в этом, посчитав на калькуляторе частичные суммы

и так далее. становится все больше и больше с ростом , то есть с увеличением количества складываемых натуральных чисел. На самом деле, выбрав достаточно большим, вы можете сделать столь большой, как вам хочется. Например, при вы получите

А при вы получите

Поэтому математики говорят, что данный ряд расходится. Или, выражаясь более свободно, что сумма равна бесконечности.

Сриниваса Рамануджан

Так откуда же берется ? В действительности неправильный результат появился в работе знаменитого индийского математика Сринивасы Рамануджана в 1913 году. Но Рамануджан знал, что он делает, и у него была причина написать это. Он изучал так называемую дзета-функцию Эйлера. Чтобы понять, что это такое, рассмотрим сначала бесконечную сумму

Можно заметить, что эта сумма получается, когда вы складываете числа, обратные квадратам натуральных чисел:

Теперь эта сумма не расходятся. Если рассмотреть последовательность частичных сумм, как мы это делали выше,

то результаты, которые получаются, будут сколь угодно близкими к числу , но никогда его не превысят. Математики говорят, что ряд сходится к , или более свободно, что сумма ряда равна .

Теперь посмотрим, что произойдет, если вместо того, чтобы возводить натуральные числа в знаменателе в квадрат, возвести их в какую-нибудь другую степень ? Оказывается, что соответствующая сумма

сходится к конечному значению, если степень — число, большее . Для каждого title="Rendered by QuickLaTeX.com" height="13" width="42" style="vertical-align: -1px;"> сумма имеет определенное конечное значение. — это то, что называется функцией, и эта функция называется дзета-функцией Эйлера в честь выдающегося математика XVII века Леонарда Эйлера.

До сих пор все хорошо. Но что произойдет, если рассмотреть числа, меньшие ? Например, что будет, если взять ? Давайте посмотрим.

Таким образом, мы получили нашу исходную сумму, которая, как мы знаем, расходится. То же самое верно для любых других значений меньше либо равных : сумма расходится.

Замечание. Продолжение дзета-функции Эйлера. Рассмотренная дзета-функция Эйлера определена для вещественных чисел , больших . Вещественные числа — это часть большего семейства чисел, называемых комплексными числами. И в то время как вещественные числа соответствуют всем точках числовой прямой, комплексные числа соответствуют всем точкам на плоскости, содержащей вещественную числовую прямую. Это плоскость называется комплексной плоскостью. Так же, как определяются функции, аргументами которых являются вещественные числа, можно определить функции, аргументами которых являются комплексные числа.

Одним удивительным фактом, относящимся к функциям комплексных переменных, является то, что если вы знаете значения функции на некотором множестве данных, то (с точностью до некоторых технических деталей) вы можете узнать значение функции в любой точке комплексной плоскости. Этот метод расширения области определения функции известен как аналитическое продолжение. Дзета-функция Эйлера определена для вещественных чисел, больших . Поскольку вещественные числа являются комплексными числами, мы можем рассматривать эту функцию как комплексную функцию, а затем использовать аналитическое продолжение для получения новой функции, определенной на всей плоскости, но согласованную с дзета-функцией Эйлера для вещественных чисел, больших . Это дзета-функция Римана.

Есть еще одна вещь, которую можно сделать. Используя мощную математику (комплексный анализ см. замечание), можно расширить область определения дзета-функции Эйлера так, чтобы для чисел меньше или равных эта функция принимала конечные значения. Другими словами, есть способ определения новой функции, назовем ее , так что для title="Rendered by QuickLaTeX.com" height="13" width="42" style="vertical-align: -1px;">

И для функция принимала бы определенные конечные значения. Этот метод называется аналитическим продолжением, и новая функция, которая при этом получается, называется дзета-функцией Римана в честь математика XVIII века Бернхарда Римана. (Создание этой новой функции, принимающей конечные значения для состоит в вычитании из расходящегося ряда другого расходящегося ряда, так что бесконечность, получающаяся из первой расходящейся суммы минус бесконечность, которую дает вторая расходящаяся сумма, равна чему-то конечному.)

Хорошо. Теперь у нас есть функция, которая для title="Rendered by QuickLaTeX.com" height="13" width="42" style="vertical-align: -1px;"> принимает те же значения, что и дзета-функция Эйлера . И для дзета-функция Римана принимает конечные значения. Какое значение вы получите, когда подставите в дзета-функцию? Вы угадали:

И если вы сделаете ошибку, считая, что для , то вы получите (неправильное) равенство

Это объясняет, почему Рамануджан записал данное таинственное выражение.

Хитрость

Итак, как же люди в видео “доказали’’, что сумма всех натуральных чисел равна ? На самом деле они этого не сделали. Смотреть данное видео — это как смотреть на фокусника и пытаться определить, когда кролика опускают в шляпу. Первый шаг “доказательства’’ пытается убедить вас в довольно глупой вещи, а именно в том, что бесконечная сумма

Видео долго не останавливается на этом и, кажется, подразумевает, что это очевидно. Но давайте посмотрим на это внимательнее, чтобы понять, имеет ли это смысл вообще. Пусть сумма равна конечному числу, назовем его . Прибавив к себе, получим бесконечную сумму

Но это всего лишь исходная сумма, откуда

Так как , то , что неверно. Таким образом, утверждение, что бесконечную сумму можно считать равной , не является правильным. На самом деле вы можете получить разные результаты, используя бесконечные суммы, которые расходятся. Это хитрость!

Физика

Но как этот любопытный неправильный результат попал в учебник физики, как показано в видео? Вот где все действительно становится интересным. Предположим, вы возьмете две проводящих металлических пластины и расположите их в вакууме так, чтобы они были параллельны друг другу. Согласно классической физике, не должно быть никакой силы, действующей между этими двумя пластинами.

Эффект Казимира

Но классическая физика не считается со странными эффектами, которые вы наблюдаете, когда смотрите на мир при очень малых масштабах. Чтобы их учесть, нужна квантовая физика, которая утверждает многие очень странные вещи. Одной из них является то, что вакуум не пуст, в нем кипит деятельность. Все время в нем появляются и исчезают так называемые виртуальные частицы. Эта деятельность дает так называемую нулевую энергию: наименьшая энергия, которую что-либо может иметь, никогда не равна нулю. Когда вы пытаетесь вычислить общую плотность энергии между двумя пластинами, используя математику или квантовую физику, вы получаете бесконечную сумму

Это бесконечная сумма является также тем, что вы получите, когда подставите значение в дзета-функцию Эйлера:

Это прискорбно, потому что данная сумма расходится (она делает это даже быстрее, чем ), что будет означать бесконечную плотность энергии. Это, очевидно, ерунда. Но что если вы нахально предположите, что бесконечная сумма равна дзета-функции Римана, а не дзета-функции Эйлера, при ? Ну, тогда вы получите конечную плотность энергии. Это означает, что должна быть сила притяжения между металлическими пластинами, что тоже кажется смешным, так как классическая физика предполагает, что не должно быть никаких сил.

Но вот сюрприз. Когда физики поставили эксперимент, они обнаружили, что сила действительно существует, и она соответствует плотности энергии, в точности равной !

Этот удивительный физический результат известен как эффект Казимира , названный в честь голландского физика Хендрика Казимира.

Найдите минутку, чтобы оценить это. Квантовая физика говорит, что плотность энергии должна быть равна

Это нонсенс, но эксперименты показывают, что если вы (ошибочно) считаете эту сумму равной значению дзета-функции при , вы получите правильный ответ. Так что, похоже, природа следует идеям Рамануджана. Она продлила дзета-функцию Эйлера, чтобы включить значения , которые меньше , искусно вычитая бесконечность, и так получилось конечное значение. Это замечательно!

Причина, по которой мы видим и в видео Numberphile, и в учебнике физики и , а не и в том, что когда вы представляете себе эффект Казимира происходящим в одном измерении (вдоль линии, а не в 3D), плотность энергии, которую вы считаете, равна , а не .

Так почему же люди из Numberphile пропагандируют этот странный “результат’’? Они, конечно, знают об аналитическом продолжении, которое делает функцию вполне определенной, но это слишком технические вещи для их видео. Зная аналитический метод продолжения, который делает окончательный результат разумным, скрывая его в заднем кармане, они ловко пошли вперед. При этом они получили более миллиона просмотров, и мир начал говорить о дзета-функции и математике. С этим их можно поздравить. Математика дзета-функции является фантастической, и то, что мы описали здесь — только начало длинного списка удивительных математических свойств. Когда мы популяризуем математику и физику, мы всегда должны делать выбор: что мы не рассказываем, а что объясняем. Где мы проводим эту черту, остается на нашей совести.

Начальный уровень

Геометрическая прогрессия. Исчерпывающий гид с примерами (2019)

Числовая последовательность

Итак, сядем и начнем писать какие-нибудь числа. Например:

Писать можно любые числа, и их может быть сколько угодно (в нашем случае их). Сколько бы чисел мы не написали, мы всегда можем сказать, какое из них первое, какое - второе и так далее до последнего, то есть, можем их пронумеровать. Это и есть пример числовой последовательности:

Числовая последовательность - это множество чисел, каждому из которых можно присвоить уникальный номер.

Например, для нашей последовательности:

Присвоенный номер характерен только для одного числа последовательности. Иными словами, в последовательности нет трех вторых чисел. Второе число (как и -ное число) всегда одно.

Число с номером называетмя -ным членом последовательности.

Всю последовательность мы обычно называем какой-нибудь буквой (например,), и каждый член этой последовательности - той же буквой с индексом, равным номеру этого члена: .

В нашем случае:

Самые распространенные виды прогрессии это арифметическая и геометрическая. В этой теме мы поговорим о втором виде - геометрической прогрессии .

Для чего нужна геометрическая прогрессия и ее история возникновения.

Еще в древности итальянский математик монах Леонардо из Пизы (более известный под именем Фибоначчи) занимался решением практических нужд торговли. Перед монахом стояла задача определить, с помощью какого наименьшего количества гирь можно взвесить товар? В своих трудах Фибоначчи доказывает, что оптимальной является такая система гирь: Это одна из первых ситуаций, в которой людям пришлось столкнуться с геометрической прогрессией, о которой ты уже наверное слышал и имеешь хотя бы общее понятие. Как только полностью разберешься в теме, подумай, почему такая система является оптимальной?

В настоящее время, в жизненной практике, геометрическая прогрессия проявляется при вложении денежных средств в банк, когда сумма процентов начисляется на сумму, скопившуюся на счете за предыдущий период. Иными словами, если положить деньги на срочный вклад в сберегательный банк, то через год вклад увеличится на от исходной суммы, т.е. новая сумма будет равна вкладу, умноженному на. Ещё через год уже эта сумма увеличится на, т.е. получившаяся в тот раз сумма вновь умножится на и так далее. Подобная ситуация описана в задачах на вычисление так называемых сложных процентов - процент берется каждый раз от суммы, которая есть на счете с учетом предыдущих процентов. Об этих задачах мы поговорим чуть позднее.

Есть еще много простых случаев, где применяется геометрическая прогрессия. Например, распространение гриппа: один человек заразил человек, те в свою очередь заразили еще по человека, и таким образом вторая волна заражения - человек, а те в свою очередь, заразили еще … и так далее…

Кстати, финансовая пирамида, та же МММ - это простой и сухой расчет по свойствам геометрической прогрессии. Интересно? Давай разбираться.

Геометрическая прогрессия.

Допустим, у нас есть числовая последовательность:

Ты сразу же ответишь, что это легко и имя такой последовательности - арифметическая прогрессия с разностью ее членов. А как на счет такого:

Если ты будешь вычитать из последующего числа предыдущее, то ты увидишь, что каждый раз получается новая разница (и т.д.), но последовательность определенно существует и ее несложно заметить - каждое следующие число в раз больше предыдущего!

Такой вид числовой последовательности называется геометрической прогрессией и обозначается.

Геометрическая прогрессия { } - это числовая последовательность, первый член которой отличен от нуля, а каждый член, начиная со второго, равен предыдущему, умноженному на одно и то же число . Это число называют знаменателем геометрической прогрессии.

Ограничения, что первый член { } не равен и не случайны. Допустим, что их нет, и первый член все же равен, а q равно, хм.. пусть, тогда получается:

Согласись, что это уже никакая не прогрессия.

Как ты понимаешь, те же самые результаты мы получим, если будет каким-либо числом, отличным от нуля, а. В этих случаях прогрессии просто не будет, так как весь числовой ряд будут либо все нули, либо одно число, а все остальные нули.

Теперь поговорим поподробнее о знаменателе геометрической прогрессии, то есть о.

Повторим: - это число, во сколько раз изменяется каждый последующий член геометрической прогрессии.

Как ты думаешь, каким может быть? Правильно, положительным и отрицательным, но не нулем (мы говорили об этом чуть выше).

Допустим, что у нас положительное. Пусть в нашем случае, а. Чему равен второй член и? Ты без труда ответишь, что:

Все верно. Соответственно, если, то все последующие члены прогрессии имеют одинаковый знак - они положительны .

А что если отрицательное? Например, а. Чему равен второй член и?

Это уже совсем другая история

Попробуй посчитать член данной прогрессии. Сколько у тебя получилось? У меня. Таким образом, если, то знаки членов геометрической прогрессии чередуются. То есть, если ты увидишь прогрессию, с чередующимися знаками у ее членов, значит ее знаменатель на отрицательный. Это знание может помочь тебе проверять себя при решении задач на эту тему.

Теперь немного потренируемся: попробуй определить, какие числовые последовательности являются геометрической прогрессией, а какие арифметической:

Разобрался? Сравним наши ответы:

• Геометрическая прогрессия - 3, 6.
• Арифметическая прогрессия - 2, 4.
• Не является ни арифметической, ни геометрической прогрессиями - 1, 5, 7.

Вернемся к нашей последней прогрессии, а и попробуем так же как и в арифметической найти ее член. Как ты уже догадываешься, есть два способа его нахождения.

Последовательно умножаем каждый член на.

Итак, -ой член описанной геометрической прогрессии равен.

Как ты уже догадываешься, сейчас ты сам выведешь формулу, которая поможет найти тебе любой член геометрической прогрессии. Или ты ее уже вывел для себя, расписывая, как поэтапно находить -ой член? Если так, то проверь правильность твоих рассуждений.

Проиллюстрируем это на примере нахождения -го члена данной прогрессии:

Иными словами:

Найди самостоятельно значение члена заданной геометрической прогрессии.

Получилось? Сравним наши ответы:

Обрати внимание, что у тебя получилось точно такое же число, как и в предыдущем способе, когда мы последовательно умножали на каждый предыдущий член геометрической прогрессии.
Попробуем «обезличить» данную формулу - приведем ее в общий вид и получим:

Выведенная формула верна для всех значений - как положительных, так и отрицательных. Проверь это самостоятельно, рассчитав и члены геометрической прогрессии со следующими условиями: , а.

Посчитал? Сравним полученные результаты:

Согласись, что находить член прогрессии можно было бы так же как и член, однако, есть вероятность неправильно посчитать. А если мы нашли уже -ый член геометрической прогрессии, а, то что может быть проще, чем воспользоваться «обрезанной» частью формулы.

Бесконечно убывающая геометрическая прогрессия.

Совсем недавно мы говорили о том, что может быть как больше, так и меньше нуля, однако, есть особые значения при которых геометрическая прогрессия называется бесконечно убывающей .

Как ты думаешь, почему такое название?
Для начала запишем какую-нибудь геометрическую прогрессию, состоящую из членов.
Допустим, а, тогда:

Мы видим, что каждый последующий член меньше предыдущего в раза, но будет ли какое-либо число? Ты сразу же ответишь - «нет». Вот поэтому и бесконечно убывающая - убывает, убывает, а нулем никогда не становится.

Чтобы четко понять, как это выглядит визуально, давай попробуем нарисовать график нашей прогрессии. Итак, для нашего случая формула приобретает следующий вид:

На графиках нам привычно строить зависимость от, поэтому:

Суть выражения не изменилась: в первой записи у нас была показана зависимость значения члена геометрической прогрессии от его порядкового номера, а во второй записи - мы просто приняли значение члена геометрической прогрессии за, а порядковый номер обозначили не как, а как. Все, что осталось сделать - построить график.
Посмотрим, что у тебя получилось. Вот какой график получился у меня:

Видишь? Функция убывает, стремится к нулю, но никогда его не пересечет, поэтому она бесконечно убывающая. Отметим на графике наши точки, а заодно и то, что обозначает координата и:

Попробуй схематично изобразить график геометрической прогрессии при, если первый ее член также равен. Проанализируй, в чем разница с нашим предыдущим графиком?

Справился? Вот какой график получился у меня:

Теперь, когда ты полностью разобрался в основах темы геометрической прогрессии: знаешь, что это такое, знаешь, как найти ее член, а также знаешь, что такое бесконечно убывающая геометрическая прогрессия, перейдем к ее основному свойству.

Свойство геометрической прогрессии.

Помнишь свойство членов арифметической прогрессии? Да, да, как найти значение определенного числа прогрессии, когда есть предыдущее и последующее значения членов данной прогрессии. Вспомнил? Вот это:

Теперь перед нами стоит точно такой же вопрос для членов геометрической прогрессии. Чтобы вывести подобную формулу, давай начнем рисовать и рассуждать. Вот увидишь, это очень легко, и если ты забудешь, то сможешь вывести ее самостоятельно.

Возьмем еще одну простую геометрическую прогрессию, в которой нам известны и. Как найти? При арифметической прогрессии это легко и просто, а как здесь? На самом деле в геометрической тоже нет ничего сложного - необходимо просто расписать по формуле каждое данное нам значение.

Ты спросишь, и что теперь нам с этим делать? Да очень просто. Для начала изобразим данные формулы на рисунке, и попытаемся сделать с ними различные манипуляции, чтобы прийти к значению.

Абстрагируемся от чисел, которые у нас даны, сосредоточимся только на их выражении через формулу. Нам необходимо найти значение, выделенное оранжевым цветом, зная соседствующие с ним члены. Попробуем произвести с ними различные действия, в результате которых мы сможем получить.

Сложение.
Попробуем сложить два выражения и, мы получим:

Из данного выражения, как ты видишь, мы никак не сможем выразить, следовательно, будем пробовать другой вариант - вычитание.

Вычитание.

Как ты видишь, из этого мы тоже не можем выразить, следовательно, попробуем умножить данные выражения друг на друга.

Умножение.

А теперь посмотри внимательно, что мы имеем, перемножая данные нам члены геометрической прогрессии в сравнении с тем, что необходимо найти:

Догадался о чем я говорю? Правильно, чтобы найти нам необходимо взять квадратный корень от перемноженных друг на друга соседствующих с искомым чисел геометрической прогрессии:

Ну вот. Ты сам вывел свойство геометрической прогрессии. Попробуй записать эту формулу в общем виде. Получилось?

Забыл условие при? Подумай, почему оно важно, например, попробуй самостоятельно просчитать, при. Что получится в этом случае? Правильно, полная глупость так как формула выглядит так:

Соответственно, не забывай это ограничение.

Теперь посчитаем, чему же равно

Правильный ответ - ! Если ты при расчете не забыл второе возможное значение, то ты большой молодец и сразу можешь переходить к тренировке, а если забыл - прочитай то, что разобрано далее и обрати внимание, почему в ответе необходимо записывать оба корня.

Нарисуем обе наши геометрические прогрессии - одну со значением, а другую со значением и проверим, имеют ли обе из них право на существование:

Для того, чтобы проверить, существует ли такая геометрическая прогрессия или нет, необходимо посмотреть, одинаковое ли между всеми ее заданными членами? Рассчитай q для первого и второго случая.

Видишь, почему мы должны писать два ответа? Потому что знак у искомого члена зависит от того, какой - положительный или отрицательный! А так как мы не знаем, какой он, нам необходимо писать оба ответа и с плюсом, и с минусом.

Теперь, когда ты усвоил основные моменты и вывел формулу на свойство геометрической прогрессии, найди, зная и

Сравни полученные ответы с правильными:

Как ты думаешь, а если нам были бы даны не соседние с искомым числом значения членов геометрической прогрессии, а равноудаленные от него. Например, нам необходимо найти, а даны и. Можем ли мы в этом случае использовать выведенную нами формулу? Попробуй точно так же подтвердить или опровергнуть эту возможность, расписывая из чего состоит каждое значение, как ты делал, выводя изначально формулу, при.
Что у тебя получилось?

Теперь опять посмотри внимательно.
и, соответственно:

Из этого мы можем сделать вывод, что формула работает не только при соседствующих с искомым членах геометрической прогрессии, но и с равноудаленными от искомого членами.

Таким образом, наша первоначальная формула приобретает вид:

То есть, если в первом случае мы говорили, что, то сейчас мы говорим, что может быть равен любому натуральному числу, которое меньше. Главное, чтобы был одинаков для обоих заданных чисел.

Потренируйся на конкретных примерах, только будь предельно внимателен!

1. , . Найти.
2. , . Найти.
3. , . Найти.

Решил? Надеюсь, ты был предельно внимателен и заметил небольшой подвох.

Сравниваем результаты.

В первых двух случаях мы спокойно применяем вышеописанную формулу и получаем следующие значения:

В третьем случае при внимательном рассмотрении порядковых номеров данных нам чисел, мы понимаем, что они не равноудалены от искомого нами числа: является предыдущим числом, а удалена на позиции, таким образом применить формулу не предоставляется возможным.

Как же ее решать? На самом деле это не так сложно, как кажется! Давай с тобой распишем, из чего состоит каждое данное нам и искомое числа.

Итак, у нас есть и. Посмотрим, что с ними можно сделать? Предлагаю разделить на. Получаем:

Подставляем в формулу наши данные:

Следующим шагом мы можем найти - для этого нам необходимо взять кубический корень из полученного числа.

А теперь смотрим еще раз что у нас есть. У нас есть, а найти нам необходимо, а он, в свою очередь равен:

Все необходимые данные для подсчета мы нашли. Подставляем в формулу:

Наш ответ: .

Попробуй решить еще одну такую же задачу самостоятельно:
Дано: ,
Найти:

Сколько у тебя получилось? У меня - .

Как ты видишь, по сути, тебе необходимо запомнить лишь одну формулу - . Все остальные ты без какого-либо труда можешь вывести самостоятельно в любой момент. Для этого просто напиши на листочке самую простую геометрическую прогрессию и распиши, чему согласно вышеописанной формуле равно каждое ее число.

Сумма членов геометрической прогрессии.

Теперь рассмотрим формулы, которые позволяют нам быстро посчитать сумму членов геометрической прогрессии в заданном промежутке:

Чтобы вывести формулу суммы членов конечной геометрической прогрессии, умножим все части вышестоящего уравнения на. Получим:

Посмотри внимательно: что общего в последних двух формулах? Правильно, общие члены, например и так далее, кроме первого и последнего члена. Давай попробуем вычесть из 2-го уравнения 1-ое. Что у тебя получилось?

Теперь вырази через формулу члена геометрической прогрессии и подставь полученное выражение в нашу последнюю формулу:

Сгруппируй выражение. У тебя должно получиться:

Все, что осталось сделать - выразить:

Соответственно, в этом случае.

А что если? Какая формула работает тогда? Представь себе геометрическую прогрессию при. Что она из себя представляет? Правильно ряд одинаковых чисел, соответственно формула будет выглядеть следующим образом:

Как и по арифметической, так и по геометрической прогрессии существует множество легенд. Одна из них - легенда о Сете, создателе шахмат.

Многие знают, что шахматная игра была придумана в Индии. Когда индусский царь познакомился с нею, он был восхищен ее остроумием и разнообразием возможных в ней положений. Узнав, что она изобретена одним из его подданных, царь решил лично наградить его. Он вызвал изобретателя к себе и приказал просить у него все, что он пожелает, пообещав исполнить даже самое искусное желание.

Сета попросил время на размышления, а когда на другой день Сета явился к царю, он удивил царя беспримерной скромностью своей просьбы. Он попросил выдать за первую клетку шахматной доски пшеничное зерно, за вторую пшеничных зерна, за третью, за четвертую и т.д.

Царь разгневался, и прогнал Сета, сказав, что просьба слуги недостойна царской щедрости, но пообещал, что слуга получит свои зерна за все клетки доски.

А теперь вопрос: используя формулу суммы членов геометрической прогрессии, посчитай, сколько зерен должен получить Сета?

Начнем рассуждать. Так как по условию за первую клетку шахматной доски Сета попросил пшеничное зерно, за вторую, за третью, за четвертую и т.д., то мы видим, что в задаче речь идет о геометрической прогрессии. Чему равно в этом случае?
Правильно.

Всего клеток шахматной доски. Соответственно, . Все данные у нас есть, осталось только подставить в формулу и посчитать.

Чтобы представить хотя бы приблизительно «масштабы» данного числа, преобразуем, используя свойства степени:

Конечно, если ты хочешь, то можешь взять калькулятор и посчитать, что за число в итоге у тебя получится, а если нет, придется поверить мне на слово: итоговым значением выражения будет.
То есть:

квинтильонов квадрильонов триллиона миллиарда миллионов тысяч.

Фух) Если желаете представить себе огромность этого числа, то прикиньте, какой величины амбар потребовался бы для вмещения всего количества зерна.
При высоте амбара м и ширине м длина его должна была бы простираться на км, - т.е. вдвое дальше, чем от Земли до Солнца.

Если бы царь был бы силен в математике, то он мог бы предложить самому ученому отсчитывать зерна, ведь чтобы отсчитать миллион зерен, ему бы понадобилось не менее суток неустанного счета, а учитывая, что необходимо отсчитать квинтильонов, зерна пришлось бы отсчитывать всю жизнь.

А теперь решим простую задачку на сумму членов геометрической прогрессии.
Ученик 5 А класса Вася, заболел гриппом, но продолжает ходить в школу. Каждый день Вася заражает двух человек, которые, в свою очередь, заражают еще двух человек и так далее. Всего в классе человек. Через сколько дней гриппом будет болеть весь класс?

Итак, первый член геометрической прогрессии это Вася, то есть человек. -ой член геометрической прогрессии, это те два человека, которых он заразил в первый день своего прихода. Общая сумма членов прогрессии равна количеству учащихся 5А. Соответственно, мы говорим о прогрессии, в которой:

Подставим наши данные в формулу суммы членов геометрической прогрессии:

Весь класс заболеет за дней. Не веришь формулам и числам? Попробуй изобразить «заражение» учеников самостоятельно. Получилось? Смотри, как это выглядит у меня:

Посчитай самостоятельно, за сколько дней ученики заболели бы гриппом, если каждый заражал бы по человека, а в классе училось человек.

Какое значение у тебя получилось? У меня получилось, что все начали болеть спустя дня.

Как ты видишь, подобная задача и рисунок к ней напоминает пирамиду, в которой каждый последующий «приводит» новых людей. Однако, рано или поздно настает такой момент, когда последние не могут никого привлечь. В нашем случае, если представить, что класс изолирован, человек из замыкают цепочку (). Таким образом, если бы человек были вовлечены в финансовую пирамиду, в которой деньги давались в случае, если ты приведешь двух других участников, то человек (или в общем случае) не привели бы никого, соответственно, потеряли бы все, что вложили в эту финансовую аферу.

Все, что было сказано выше, относится к убывающей или возрастающей геометрической прогрессии, но, как ты помнишь, у нас есть особый вид - бесконечно убывающая геометрическая прогрессия. Как же считать сумму ее членов? И почему у данного вида прогрессии есть определенные особенности? Давай разбираться вместе.

Итак, для начала посмотрим еще раз на вот этот рисунок бесконечно убывающей геометрической прогрессии из нашего примера:

А теперь посмотрим на формулу суммы геометрической прогрессии, выведенную чуть ранее:
или

К чему у нас стремится? Правильно, на графике видно, что оно стремится к нулю. То есть при, будет почти равно, соответственно, при вычислении выражения мы получим почти. В связи с этим, мы считаем, что при подсчете суммы бесконечно убывающей геометрической прогрессии, данной скобкой можно пренебречь, так как она будет равна.

- формула сумма членов бесконечно убывающей геометрической прогрессии.

ВАЖНО! Формулу суммы членов бесконечно убывающей геометрической прогрессии мы используем только в том случае, если в условии в явном виде указано, что нужно найти сумму бесконечного числа членов.

Если указано конкретное число n, то пользуемся формулой суммы n членов, даже если или.

А теперь потренируемся.

1. Найди сумму первых членов геометрической прогрессии с и.
2. Найди сумму членов бесконечно убывающей геометрической прогрессии с и.

Надеюсь, ты был предельно внимателен. Сравним наши ответы:

Теперь ты знаешь о геометрической прогрессии все, и настала пора переходить от теории к практике. Самые распространенные задачи на геометрическую прогрессию, встречающиеся на экзамене - это задачи на вычисление сложных процентов. Именно о них и пойдет речь.

Задачи на вычисление сложных процентов.

Ты наверняка слышал о так называемой формуле сложных процентов. Понимаешь ли ты, что она значит? Если нет, давай разбираться, так как осознав сам процесс, ты сразу поймешь, причем здесь геометрическая прогрессия.

Все мы ходим в банк и знаем, что существуют разные условия по вкладам: это и срок, и дополнительное обслуживание, и процент с двумя различными способами его начисления - простым и сложным.

С простыми процентами все более или менее понятно: проценты начисляются один раз в конце срока вклада. То есть, если мы говорим о том, что мы кладем 100 рублей на год под, то зачислятся только в конце года. Соответственно, к окончанию вклада мы получим рублей.

Сложные проценты — это такой вариант, при котором происходит капитализация процентов , т.е. их причисление к сумме вклада и последующий расчет дохода не от первоначальной, а от накопленной суммы вклада. Капитализация происходит не постоянно, а с некоторой периодичностью. Как правило, такие периоды равны и чаще всего банки используют месяц, квартал или год.

Допустим, что мы кладем все те же рублей по годовых, но с ежемесячной капитализацией вклада. Что у нас получается?

Все ли тебе здесь понятно? Если нет, давай разбираться поэтапно.

Мы принесли в банк рублей. К концу месяца у нас на счете должна появиться сумма, состоящая из наших рублей плюс процентов по ним, то есть:

Согласен?

Мы можем вынести за скобку и тогда мы получим:

Согласись, эта формула уже больше похожа на написанную нами в начале. Осталось разобраться с процентами

В условии задачи нам сказано про годовых. Как ты знаешь, мы не умножаем на - мы переводим проценты в десятичные дроби, то есть:

Верно? Сейчас ты спросишь, а откуда взялось число? Очень просто!
Повторюсь: в условии задачи сказано про ГОДОВЫЕ проценты, начисление которых происходит ЕЖЕМЕСЯЧНО . Как ты знаешь, в году месяцев, соответственно, банк будет начислять нам в месяц часть от годовых процентов:

Осознал? А теперь попробуй написать, как будет выглядеть эта часть формулы, если я скажу, что проценты начисляются ежедневно.
Справился? Давай сравним результаты:

Молодец! Вернемся к нашей задаче: напиши, сколько будет начислено на наш счет на второй месяц, с учетом, что проценты начисляются на накопленную сумму вклада.
Вот что получилось у меня:

Или, иными словами:

Я думаю, что ты уже заметил закономерность и увидел во всем этом геометрическую прогрессию. Напиши, чему будет равен ее член, или, иными словами, какую сумму денежных средств мы получим в конце месяца.
Сделал? Проверяем!

Как ты видишь, если ты кладешь деньги в банк на год под простой процент, то ты получишь рублей, а если под сложный - рублей. Выгода небольшая, но так происходит только в течение -го года, а вот на более длительный период капитализация намного выгодней:

Рассмотрим еще один тип задач на сложные проценты. После того, в чем ты разобрался, это будет для тебя элементарно. Итак, задача:

Компания «Звезда» начала инвестировать в отрасль в 2000 году, имея капитал долларов. Каждый год, начиная с 2001 года, она получает прибыль, которая составляет от капитала предыдущего года. Сколько прибыли получит компания «Звезда» по окончанию 2003 года, если прибыль из оборота не изымалась?

Капитал компании «Звезда» в 2000 году.
- капитал компании «Звезда» в 2001 году.
- капитал компании «Звезда» в 2002 году.
- капитал компании «Звезда» в 2003 году.

Либо мы можем написать кратко:

Для нашего случая:

2000 год, 2001 год, 2002 год и 2003 год.

Соответственно:
рублей
Заметь, в данной задаче у нас нет деления ни на, ни на, так как процент дан ЕЖЕГОДНЫЙ и начисляется он ЕЖЕГОДНО. То есть, читая задачу на сложные проценты, обрати внимание, какой процент дан, и в какой период он начисляется, и только потом приступай к вычислениям.
Теперь ты знаешь о геометрической прогрессии все.

Тренировка.

1. Найдите член геометрической прогрессии, если известно, что, а
2. Найдите сумму первых членов геометрической прогрессии, если известно, что, а
3. Компания «МДМ Капитал» начала инвестировать в отрасль в 2003 году, имея капитал долларов. Каждый год, начиная с 2004 года, она получает прибыль, которая составляет от капитала предыдущего года. Компания «МСК Денежные потоки» стала инвестировать в отрасль в 2005 году в размере 10000 долларов, начиная получать прибыль с 2006 года в размере. На сколько долларов капитал одной компании больше другой по окончанию 2007 года, если прибыль из оборота не изымалась?

Ответы:

1. Так как в условии задачи не сказано, что прогрессия бесконечная и требуется найти сумму конкретного числа ее членов, то расчет идет по формуле:
2. 
   Компания «МДМ Капитал»:

   2003, 2004, 2005, 2006, 2007 года.
   - увеличивается на 100%, то есть в 2 раза.
   Соответственно:
   рублей
   Компания «МСК Денежные потоки»:

   2005, 2006, 2007 года.
   - увеличивается на, то есть в раза.
   Соответственно:
   рублей
   рублей

Подведем итоги.

1) Геометрическая прогрессия { } - это числовая последовательность, первый член которой отличен от нуля, а каждый член, начиная со второго, равен предыдущему, умноженному на одно и то же число. Это число называют знаменателем геометрической прогрессии.

2) Уравнение членов геометрической прогрессии - .

3) может принимать любые значения, кроме и.

• если, то все последующие члены прогрессии имеют одинаковый знак - они положительны ;
• если, то все последующие члены прогрессии чередуют знаки;
• при - прогрессия называется бесконечно убывающей.

4) , при - свойство геометрической прогрессии (соседствующие члены)

либо
, при (равноудаленные члены)

При нахождении не стоит забывать о том, что ответа должно быть два .

Например,

5) Сумма членов геометрической прогрессии вычисляется по формуле:
или

Если прогрессия является бесконечно убывающей, то:
или

ВАЖНО! Формулу суммы членов бесконечно убывающей геометрической прогрессии мы используем только в том случае, если в условии в явном виде указано, что нужно найти сумму бесконечного числа членов.

6) Задачи на сложные проценты также вычисляются по формуле -го члена геометрической прогрессии, при условии, что денежные средства из оборота не изымались:

ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ ПРОГРЕССИЯ. КОРОТКО О ГЛАВНОМ

Геометрическая прогрессия { } - это числовая последовательность, первый член которой отличен от нуля, а каждый член, начиная со второго, равен предыдущему, умноженному на одно и то же число. Это число называют знаменателем геометрической прогрессии.

Знаменатель геометрической прогрессии может принимать любые значения, кроме и.

• Если, то все последующие члены прогрессии имеют одинаковый знак - они положительны ;
• если, то все последующие члены прогрессии чередуют знаки;
• при - прогрессия называется бесконечно убывающей.

Уравнение членов геометрической прогрессии - .

Сумма членов геометрической прогрессии вычисляется по формуле:
или