等比数列及它的和 |
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等比数列及它的和
数列
序列是一组顺序排列的东西,若这些东西是数,我们便称之为数列。 等比数列 在等比数列里,每一项和下一项的比是个常数。 例子: 2,4,8,16,32,64,128,256……/font>每项和下一项的比是 2。 除了第一项外,每项是上一项乘以2。
等比数列的一般写法是: {a,ar,ar2,ar3…… } 其中: a 是首项, r 是项与项之间的比 (叫 "公比")例子: {1,2,4,8……} 这个数列从 1 开始,然后每项加倍,所以 a=1 (首项) r=2 ("公比":每项加倍)数列是: {a,ar,ar2,ar3…… } = {1,1×2,1×22,1×23, ...…… } = {1,2,4,8…… }
但留意,r 不能是 0: 若 r=0,数列便是 {a,0,0……},不是等比数列了 规则我们可以用以下的规则来求任何一项: xn = ar(n-1) (用 "n-1",因为首项是 ar0) 例子: 10,30,90,270,810,2430,…… 每项和下一项的比是 3。 a 和 r 是: a = 10 (首项) r = 3 ("公比")规则是: xn = 10 × 3(n-1) 所以,第 4 项是: x4 = 10×3(4-1) = 10×33 = 10×27 = 270 第 10 项是: x10 = 10×3(10-1) = 10×39 = 10×19683 = 196830
等比数列也可以有越来越小的项: 例子: 4,2,1,0.5,0.25……每项和下一项的差是 0.5(一半)。 规则是 xn = 4 × (0.5)n-1 "几何"数列 等比数列也叫"几何数列"。为什么?因为数列好像几何维数的扩大: 一条线是 1 维,长度是 r 平方型是 2 维,面积是 r2 正方体型是 3 维,体积是 r3 。。。等。。。(在数学里可以有 4 维或更高)。等比数列的和:等比级数 我们用以下的公式把等比数列的项加起来。 加: a + ar + ar2 + ... + ar(n-1) 每项是 ark,k 从 0 开始,到 n-1 为止 公式是: a 是首项 r 是项与项之间的 "公比" n 是项的个数 那奇怪的符号是什么? 是 总和符号 意思是 "加起来"在符号的下面和上面是开始值和结束值: 意思是: "以 n 从 1 到 4,把 n 加起来。答案=10 使用公式很简单……只需 "代入" a、r 和 n 的值 例子: 把以下的等比数列的头 4 项加起来 10、30、90、270、810、2430……每项和下一项的比差是 3。
a、r 和 n 是: a = 10(首项) r = 3("公比") n = 4(加头 4 项)所以: 变成: 自己来检验: 10 + 30 + 90 + 270 = 400 在这例子,把它加起来就可以,以为只有 4 项。但如果有 50 项……用公式就方便多了。 使用公式让我们来看看怎样使用这个公式: 例子:棋盘上的米在二进制数字这页,我们提及棋盘上的米的例子。问题是: 把米这样放到棋盘上: 1 颗米在第一个格子, 2 颗米在第二个格子, 4 颗米在第三个格子, 依此类推…………每个格子里的米是上一个格子的 两倍…… ……棋盘上总共有多少颗米? 已知: a = 1(首项)) r = 2(每项大一倍) n = 64(棋盘有 64 个格子)所以: 变成:
= (1-264) / (-1) = 264 - 1 = 18,446,744,073,709,551,615 和在 二进制数字 这页算出来的一样。(真巧!) 再举个例,这次 r 小于 1: 例子:把以下的等比数列的头 10 项加起来(每项是上一项的一半): { 1/2,1/4,1/8,1/16……}a、r 和 n 是: a = ½(首项) r = ½(每次小一半) n = 10(加 10 项)所以: 变成: 离 1 很近。 (问题:n 越来越大会怎样?) 为什么公式是这样的?我们来看看为什么公式是这样的,我们会用一个有趣的"技巧"。 首先,以 "S"为数列的和: S = a + ar + ar2 + …… + ar(n-2)+ ar(n-1) 接下来,把 S 乘以 r: S·r = ar + ar2 + ar3 + …… + ar(n-1) + arn留意到 S 和 S·r 很相似吗? 把它们相减! 哈!中间的项差不多全消去了。 (酷!) 把 S·r 从 S 减去,结果是: S − S·r = a − arn 重排来求 S: 分解因数 S 和 a: S(1−r) = a(1−rn) 除以 (1-r): S = a(1−rn)/(1−r)这就是我们要导出的公式(厉害!): 无穷等比级数 当 n 趋近无穷大时会怎么样? ……若 r 小于 1,rn 会趋近 零,结果是: 注意:若 r 是 1 或大于 1(或小于 -1),以上便不管用: r 必须是在 -1 和 1 之间(但不包括 1 和 -1) 并且,r 也不能是 0,因为数列会变成 {a,0,0……},不是等比数列了 再看看以上的例子: 例子:把每项小一半的数列的所有的项加起来: { 1/2,1/4,1/8,1/16…… }已知: a = 1/2(首项) r = 1/2(每项小一半)所以: = ½ × 1 / ½ = 1 对了……(1/2)+(1/4)+(1/8)+……。 还不相信?看看这正方形: 把(1/2)+(1/4)+(1/8)+……加起来 ……我们得到整个正方形! 循环小数在另一个网页中我们问:"0.999……是不是等于 1?"我们来算算: 例子:计算 0.999……循环小数可以写成这样:
现在可以用公式:
惊艳!0.999…… 真的等于 1。
……等比数列和它的和非常有用。 等比数列及它的和 数列 代数索引 |
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