기하급수

Geometric progression
패턴 1(rn−1)의 3가지 기본 기하학적 시퀀스를 최대 6회까지 나타내는 다이어그램입니다.첫 번째 블록은 단위 블록이며 파선은 시퀀스의 무한 합계를 나타냅니다. 이 합계는 영원히 접근하지만 닿지 않는 수치입니다. 각각 2, 3/2 및 4/3입니다.

수학에서, 기하 급수열로도 알려진 기하 급수열은 첫 번째 이후의 각 항에 공통 비율이라고 불리는 고정된 0이 아닌 숫자를 곱함으로써 0이 아닌 숫자의 수열이다.예를 들어 시퀀스 2, 6, 18, 54, …는 공통비율 3의 기하급수이다.마찬가지로 10, 5, 2.5, 1.25, ...는 공통 비율이 1/2인 기하학적 수열이다.

기하학적 수열의 예로는 2나k 3과 같은k 0이 아닌 고정수 r의 거듭제곱k r이 있다.기하학적 수열의 일반적인 형태는

여기서 r 0 0은 공통 비율이고 0 0은 시퀀스의 시작 값과 동일한 스케일 계수입니다.

급수와 급수의 차이점은 급수가 연속인 반면 급수는 합이라는 것입니다.

기본 속성

초기값이 a = a이고1 공통비가 r인 기하학적 수열의 n번째 항은 다음과 같이 주어진다.

그리고 일반적으로

이러한 기하학적 수열은 또한 재귀적 관계를 따른다.

n a - { a _ {n } , a {n - 1} 모든 n . { n \ 2.}

일반적으로 특정 시퀀스가 기하학적인지 여부를 확인하려면 시퀀스 내의 연속된 엔트리가 모두 동일한 비율을 가지는지 여부를 확인합니다.

기하학적 수열의 공통 비율은 음수일 수 있으며, 결과적으로 숫자들이 양수와 음수 사이를 번갈아 가면서 번갈아 가면서 수열을 만들 수 있습니다.예를 들어.

1, −3, 9, −27, 81, −243, ...

는 공통 비율이 -3인 기하학적 수열입니다.

기하학적 시퀀스의 동작은 공통 비율의 값에 따라 달라집니다.
공통 비율이 다음과 같은 경우:

  • 양수, 모든 항이 초기 항과 같은 부호가 됩니다.
  • 음수, 항은 양수와 음수를 번갈아 사용합니다.
  • 1보다 크면 (초기 항의 부호에 따라) 양수 또는 음수 무한대로 향하는 지수 성장이 있습니다.
  • 1, 진행은 일정한 시퀀스입니다.
  • 0이 아니라 -1과 1 사이에 0을 향한 지수적 감쇠가 발생합니다(→ 0).
  • -1, 수열에서 각 항의 절대값은 상수이고 항이 번갈아 표시됩니다.
  • -1보다 작으면, 절대값의 경우 교대 기호로 인해 무한대로(지정되지 않은) 지수 성장이 있습니다.

기하학적 시퀀스(공통비가 -1, 1 또는 0이 아닌 것)는 4, 15, 26, 37, 48, …(공통차 11)와 같은 산술수열선형 성장(또는 감소)과 반대로 지수적 성장 또는 지수적 붕괴를 나타낸다.이 결과는 T.R. 맬서스에 의해 그의 인구원리학의 수학적 기초로서 받아들여졌다.두 종류의 수열은 관련이 있다는 점에 유의하십시오. 산술 수열의 각 항을 지수화하면 기하 급수가 되는 반면 양의 공통 비율을 갖는 기하 급수열에서 각 항의 로그를 취하면 산술 급수가 됩니다.

기하급수 정의의 흥미로운 결과는 연속되는 세 의 항 a, bc가 다음 방정식을 만족한다는 것이다.

여기서 b는 a와 c 사이기하 평균으로 간주됩니다.

기하 급수

2 + 10 + 50 + 250 = 312
− ( 10 + 50 + 250 + 1250 = 5 × 312 )

2 1250 = (1 − 5) × 312

2 + 10 + 50 + 250의 합계 계산.수열은 기간별로 5를 곱한 다음 원래 수열에서 빼줍니다.첫 번째 항 a와 마지막 항 뒤의 항 arm 두 가지 항이 남아 있습니다.원하는 결과 312는 이 두 항을 뺀 다음 1 - 5로 나누어 구합니다.

기하 급수는 기하 급수상의 숫자의 입니다.예를 들어 다음과 같습니다.

a가 첫 번째 항(여기서 2), n이 항의 수(여기서 4), r이 다음 항(여기서 5)을 얻기 위해 각 항에 곱한 상수라고 가정하면, 합계는 다음과 같습니다.

위의 예에서는 다음과 같습니다.

이 공식은 모든 실수 a와 r에 대해 작동합니다(r = 1은 0으로 나눗셈됨).예를 들어 다음과 같습니다.

도출(아래)은 a와 r의 실수에 의존하지 않기 때문에 복소수에도 대응합니다.

파생

이 공식을 도출하려면 먼저 일반 기하 급수를 다음과 같이 적습니다.

위의 방정식의 양변에 1 - r을 곱하면 이 합에 대한 더 간단한 공식을 찾을 수 있습니다. 그리고 우리는 다음을 볼 수 있습니다.

다른 모든 조건이 취소되기 때문입니다.r 1 1일 경우, 위의 식을 다시 배열하여 n개의 항의 합을 계산하는 기하 급수의 편리한 공식을 얻을 수 있습니다.

관련 공식

합계를 k=1 또는 0에서 시작하는 것이 아니라 다른 값에서 시작하는 경우 m{\ m이라고 .

rr과 하여 이 공식을 구별하면 형식의 합계에 대한 공식에 도달할 수 있습니다.

예를 들어 다음과 같습니다.

r의 거듭제곱만 포함하는 기하 급수의 경우, - r 를 곱합니다.

로 r 2 r 공통 비율로 표준 제제를 사용한다.

r의 홀수 파워만 있는 시리즈의 경우

sN \ s \ \ 때의 ( ,의 정확한 공식은 다음과 같이 두 번째 종류의 스털링 수만큼 확장됩니다.

무한 기하 급수

무한 기하 급수는 연속 항이 공통 비율을 갖는 무한 급수입니다.이러한 시리즈는 공통 비율의 절대값이 1보다 작을 경우에만 수렴됩니다(r < 1).그 값은 유한합 공식에서 계산될 수 있다.

< \ \ sum \ _ { k=}^{ ^ { } (빨간색 선)의 를 1 - < 1 \ \ (파란색 선)로 수렴한 애니메이션.
2로 수렴하는 기하급수 1 + 1/2 + 1/4 + 1/8 + which를 나타내는 다이어그램입니다.

이후:

그 후, 다음과 같이 입력합니다.

r의 짝수만 포함하는 시리즈의 경우

이상한 힘만 있으면

합계가 k = 0에서 시작되지 않는 경우,

위의 공식은 r < 1에만 유효합니다.후자의 공식은 r의 노름이 1보다 작으면 모든 바나흐 대수에서 유효하며, r < 1이면 p-adic 수에서도 유효하다. 유한합에 대한 경우처럼, 우리는 관련된 합에 대한 공식을 계산하기 위해 미분할 수 있다.예를들면,

이 공식은 r < 1에만 적용됩니다.여기서부터 r < 1에 대해서는 다음과 같이 됩니다.

또, 무한 급수 1/2 + 1/4 + 1/8 + 1/16 + θ는, 절대 수렴하는 급수의 기본적인 예입니다.

첫 번째 항이 1/2이고 공통 비율이 1/2인 기하급수이므로, 합계는 다음과 같습니다.

위 계열의 역수는 1/2 - 1/4 + 1/8 - 1/16 + is입니다. 이는 절대적으로 수렴하는 교대 계열의 간단한 예입니다.

첫 번째 항이 1/2이고 공통 비율이 -1/2인 기하급수이므로, 합계는 다음과 같습니다.

복소수

기하 급수에 대한 합산 공식은 공통 비율이 복소수인 경우에도 유효합니다.이 경우 r의 절대값이 1 미만인 조건은 r계수가 1 미만인 상태가 됩니다.명확하지 않은 일부 기하 급수의 합계를 계산할 수 있습니다.예를 들어 다음과 같은 제안을 고려합니다.

그 증거는 ...라는 사실에서 나온다.

오일러 공식의 결과입니다이것을 원래의 시리즈로 대체하면,

이것이 두 기하 급수의 차이이므로 증명을 완성하는 무한 기하 급수에 대한 공식을 쉽게 적용할 수 있습니다.

제품.

기하급수의 곱은 모든 항의 곱이다.수열의 첫 번째 및 마지막 개별 항의 기하 평균을 취하여 해당 평균을 항 수에 의해 주어진 거듭제곱으로 올림으로써 빠르게 계산할 수 있습니다.(이것은 산술 수열의 항의 합계에 대한 공식과 매우 유사합니다. 즉, 처음과 마지막 개별 항의 산술 평균을 구하여 항의 수를 곱합니다.)

두 숫자의 기하 평균은 곱의 제곱근과 같으므로 기하 급수의 곱은 다음과 같습니다.

i= r ( ) + ( n) + 1 ( \ \ { i=0n } { a \ ^ { n ^ { n }} = scdot \ cdot { a ^{ n } } = { n } } ^{ 1}^{ } ^{ n } } =

(이 공식의 흥미로운 측면은 음수인 r의 홀수승의 제곱근을 취하더라도 a와 r 중 어느 것도 허수가 없으면 복잡한 결과를 얻을 수 없다는 것이다.r이 음수이고 n이 홀수일 경우, 음수 중간 결과의 제곱근을 취하여 후속 중간 결과가 허수일 수 있다.단, 이 방법으로 형성된 가상 중간값은 곧+의 거듭제곱이 됩니다.은 그 자체로 홀수이기 때문에 짝수여야 합니다.따라서 계산의 최종 결과는 그럴듯하게 홀수일는 있지만 결코 가상일 수는 없습니다.)

증명

P가 제품을 나타내도록 하자.정의상, 각 개별 용어를 명시적으로 곱하여 계산한다.전문으로 쓰여져 있습니다.

r a - a n 、 r \ ar {2 \ ar^ { - 1} 。

곱셈을 수행하고 비슷한 용어를 수집하면

+ r + + + + (n -) + { \ P= a^ { + 1 { + + + \ + ( n -) + } 。

r의 지수는 산술 수열의 합이다.그 계산식을 대입하면

이를 통해 표현 방식을 단순화할 수 있습니다.

( 2) + ( ) + { P = ( ^ { \ {} { } 1} = ( a{ ^ { } 1}} 。

a를 2로 다시 씁니다.

( 2 )+ ({ P

이것으로 증거는 끝납니다.

역사

메소포타미아 초기 왕조 시대의 점토판 MS 3047은 베이스 3과 곱셈기 1/2를 가진 기하 급수를 포함한다.슈루팍에서 온 수메르인일 것으로 추정되고 있다.이것은 바빌로니아 [2]수학 이전부터의 기하급수적 수열로 알려진 유일한 기록이다.

유클리드원소의 제8권과 제9권은 기하급수(예: 2의 거듭제곱, 자세한 내용은 기사 참조)를 분석하고 그 특성 [3]중 몇 가지를 제시한다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ "Set Partitions: Stirling Numbers". Digital Library of Mathematical Functions. Retrieved 24 May 2018.
  2. ^ Friberg, Jöran (2007). "MS 3047: An Old Sumerian Metro-Mathematical Table Text". In Friberg, Jöran (ed.). A remarkable collection of Babylonian mathematical texts. Sources and Studies in the History of Mathematics and Physical Sciences. New York: Springer. pp. 150–153. doi:10.1007/978-0-387-48977-3. ISBN 978-0-387-34543-7. MR 2333050.
  3. ^ Heath, Thomas L. (1956). The Thirteen Books of Euclid's Elements (2nd ed. [Facsimile. Original publication: Cambridge University Press, 1925] ed.). New York: Dover Publications.

외부 링크