Zaporedja in vrste - teorija

Zaporedja in vrste - teorija

Avtor: Skupina NAUK

Učni cilji: Zapisati člene zaporedja, najti zvezo med členi zaporedja, analizirati lastnosti zaporedja, spoznati aritmetično in geometrijsko zaporedje, izračunati limito zaporedja, razlikovati med zaporedjem in vrsto, izračunati vsoto vrste.

Definicija

Zaporedje pomeni, da imamo neke elemente postavljene v vrsto. Pri tem točno vemo, na katerem mestu v vrsti je kateri element. V matematiki nas zanimajo številska zaporedja (elementi, ki jih postavljamo v vrsto, so števila). Formalno to definiramo takole:

To pomeni, da imamo neko funkcijo , recimo . Vrednosti funkcije dobimo tako, da za vstavljamo vrednosti iz množice . Če vstavljamo vrednosti po vrsti od 1 naprej, dobimo zaporedje:

Če pa nas zanima element na nekem poljubnem mestu v zaporedju, vstavimo številko tega mesta v funkcijo in dobimo vrednost: če nas zanima element na 1991 mestu, izračunamo .

Ker je zaporedje posebna funkcija, namesto oznake uporabljamo oznako . Vrednosti , , , ... so členi zaporedja, pa imenujemo splošni člen.

PREMISLITE

Kako bi definirali splošno zaporedje (ne samo številsko)?

Odgovor

Ali je abeceda zaporedje?

Odgovor

Glavna lastnost zaporedja je vrstni red. Zato zaporedje vedno slika iz množice naravnih števil. Množica, v katero slika, pa je lahko karkoli. Pri številskih zaporedjih je to množica števil (ponavadi realnih, lahko pa tudi katerih drugih).



Zgled:

Imamo množico vseh pravilnih večkotnikov . Postavimo jih v zaporedje tako, da bo na prvem mestu trikotnik, na vsakem naslednjem mestu pa lik, ki ima eno oglišče več od predhodnega. Kako bi zapisali preslikavo?

  • je trikotnik
  • je lik, ki ima število oglišč lika
(mnogokotniki.png)

Abeceda je zaporedje, ker predstavlja vrstni red črk. Točno vemo, na katerem mestu je katera črka. Ni pa številsko zaporedje, ker so elementi, ki jih postavljamo v vrsto, črke in ne številke.

Predpis funkcije za abecedo je tak: , kjer A predstavlja množico vseh črk.

Kako podamo zaporedje

Zaporedje lahko podamo na 4 različne načine:

  1. Podamo splošni člen:

    • Iz pravila izračunamo člene tako, da v predpis vstavljamo vrednosti za .
  2. Podamo zaporedne člene zaporedja: 1, , , ,...

    • Iz danih členov lahko ugotavljamo pravilo. Pravil, ki ustrezajo, lahko najdemo več.
  3. Podamo prvih nekaj členov, za nadaljnje pa pravilo: , ,

    • Iz podanih členov in pravila rekurzivno izračunamo nadaljne člene zaporedja.
  4. Zaporedje podamo grafično: zaporedje je množica diskretnih točk v ravnini.

Graf zaporedja

Ker je zaporedje funkcija, lahko narišemo graf zaporedja. Graf zaporedja je množica točk v ravnini. Graf je diskreten. To pomeni, da točk med seboj ne povežemo, ker so definicijsko območje zaporedja samo naravna števila.


Narišimo graf zaporedja :

Aplikacija GeoGebra se ni mogla zagnati. Prosim preverite, ali imate v brskalniku namescen program Java 1.4.2 (ali novejsi) (Kliknite tu za namestitev Jave)


Zaporedje lahko ponazorimo tudi na številski premici:

Aplikacija GeoGebra se ni mogla zagnati. Prosim preverite, ali imate v brskalniku namescen program Java 1.4.2 (ali novejsi) (Kliknite tu za namestitev Jave)

Geogebra datoteka - graf Geogebra datoteka - premica

PREMISLITE

Ali lahko vedno zapišemo zaporedje, če imamo podan graf zaporedja?

Odgovor

Kaj pa, če imamo zaporedje narisano na številski osi?

Odgovor

Iz grafa lahko vedno zapišemo zaporedje. Ker na os nanašamo , poznamo vrstni red členov zaporedja oziroma vemo, h kateremu pripada katera vrednost .

(graf_zgled.png)

Preberemo zaporedje z grafa: 1, 0, 3, 1, -1, 0, -1, 1

Iz številske premice pa členov zaporedja ne moremo napisati, saj iz slike vrstnega reda ne moremo razbrati. Zato moramo pri ponazarjanju zaporedja na številski premici točke označiti z , , ...

(os_zgled_brez.png)

Tukaj zaporedja ne moremo prebrati s slike, ker ne poznamo vrstnega reda.


(os_zgled_z.png)

Tukaj lahko zaporedje preberemo s slike, ker so členi točno označeni. Zaporedje je: 1, 0, 3, 2, -1, , -2,

Lastnosti

  1. končno - neskončno

    • Zaporedje je lahko končno ali neskončno. Pri končnem zaporedju poznamo zadnji člen, pri neskončnem pa ne.
    • Primer končnega zaporedja: 1, 2, 3, 4, 5.
    • Primer neskončnega zaporedja: 1, 2, 3, 4, ..., n, ...
  2. narašča - pada

    • Zaporedje lahko narašča, lahko pada, lahko je konstantno, lahko pa nič od tega (nekaj časa narašča, potem pada, potem spet narašča...).
    • Zaporedje narašča, če velja: za vsak . To pomeni, da je vsak naslednji člen zaporedja večji ali enak predhodnemu. Če enačaj spustimo, potem tako zaporedje strogo narašča.
    • Zaporedje pada, če velja: za vsak . To pomeni, da je vsak naslednji člen zaporedja manjši ali enak predhodnemu. Če enačaj spustimo, potem tako zaporedje strogo pada.
    • Zaporedje je konstantno, če velja: za vsak .To pomeni, da so vsi členi zaporedja med seboj enaki.
  3. omejeno - neomejeno

    • Zaporedje je lahko navzgor omejeno, navzdol omejeno, omejeno na obe strani ali pa neomejeno.
    • Zaporedje je navzgor omejeno, če obstaja tako število , da velja za vsak . To pomeni, da so vsi členi zaporedja manjši ali enaki od nekega števila .
    • Zaporedje je navzdol omejeno, če obstaja tako število , da velja za vsak . To pomeni, da so vsi členi zaporedja večji ali enaki od nekega števila .

PREMISLITE

Koliko zgornjih mej ima navzgor omejeno zaporedje?

Odgovor

Recimo, da ima navzgor omejeno zaporedje zgornjo mejo . Potem so zgornje meje tega zaporedja tudi 5 pa 6 pa tudi . Vidimo, da je zgornjih mej neskončno. Najbolj nas zanima tista zgornja meja, ki je najbližje zaporedju, saj najbolj natančno opiše, do kje segajo členi zaporedja. Taki meji rečemo natančna zgornja meja. To je tista zgornja meja, ki je najmanjša izmed vseh zgornjih mej.


Zgled:

Vzemimo zaporedje . Členi tega zaporedja so: , , , , , ,... Členi se približujuejo 1, noben pa ni večji od 1. Zgornje meje so 1 in vsa števila večja od 1. 1 pa je najmanjše od teh zgornjih mej, zato je 1 natančna zgornja meja.



Enako velja za spodnjo mejo.

Naraščanje - padanje

Poglejmo, kako dokažemo, da je zaporedje padajoče:

  • Definicija pravi, da je zaporedje padajoče, če velja .
  • To še drugače zapišemo
  • Izračunamo torej in če je dobljena vrednost negativna ali enaka 0 za vse , potem je zaporedje padajoče.

Še drugi način:

  • Če so vsi členi zaporedja pozitivni, potem lahko neenakost delimo z in dobimo
  • Izračunamo in če je dobljena vrednost manjša ali enaka ena, potem je zaporedje padajoče.


Zgled:

Dano je zaporedje . Določite, ali je zaporedje padajoče ali naraščajoče.

Prvi način

Drugi način

PREMISLITE

Kako dokažemo, da je zaporedje naraščajoče?

Odgovor

Kako vidimo, da zaporedje ni ne padajoče ne naraščajoče?

Odgovor

Za naraščajoče zaporedje velja ravno obratno kot za padajoče:

  • Definicija pravi, da je zaporedje naraščajoče, če velja .
  • To še drugače zapišemo
  • Izračunamo torej in če je dobljena vrednost pozitivna ali enaka 0 za vse , potem je zaporedje padajoče.

Še drugi način:

  • Če so vsi členi zaporedja pozitivni, potem lahko neenakost delimo z in dobimo
  • Izračunamo in če je dobljena vrednost večja ali enaka ena, potem je zaporedje padajoče.

Poglejmo zaporedje . Graf tega zaporedja izgleda takole:

(ni_nar_pad.png)

Kakšna je torej razlika ?

Poglejmo, kakšna sta števec in imenovalec:

  • števec je pozitiven za , za ostale pa je negativen.
  • imenovalec je za in negativen.
  • iz teh dveh podatkov dobimo, da je za vrednost ulomka negativna, za pa pozitivna.
  • ker vrednost razlike spremeni predznak za različne , pomeni, da zaporedje ni ne naraščajoče, ne padajoče.

Prvi način

Dano je zaporedje . Določite, ali je zaporedje padajoče ali naraščajoče.

  • Zapišemo člen (to storimo tako, da namesto povsod v enačbo zaporedja pišemo ):
  • Izračunamo razliko :

  • Ker je naravno število, je imenovalec vedno pozitiven, zato je ulomek pozitiven. Razlika je torej večja od 0, zato je zaporedje naraščajoče.

Drugi način

Dano je zaporedje . Določite, ali je zaporedje padajoče ali naraščajoče.

  • Zapišemo člen (to storimo tako, da namesto povsod v enačbo zaporedja pišemo ):
  • Izračunamo količnik :

  • Ker je števec večji od imenovalca, je ulomek večji od 1, zato je zaporedje naraščajoče.

Omejenost - neomejenost

Poglejmo, kako dokazujemo omejenost zaporedij.

Če je zaporedje navzgor omejeno, potem velja . To lahko drugače zapišemo kot . Torej, če je razlika negativna ali 0 za vse , potem je zaporedje navzgor omejeno z zgornjo mejo .

Če je zaporedje navzdol omejeno, potem velja . To še drugače zapišemo kot . Torej, če je razlika pozitivna ali 0 za vse , potem je zaporedje navzdol omejeno s spodnjo mejo .

Zgled:

Dano je zaporedje . Dokažite, da je spodnja meja zaporedja in zgornja meja zaporedja .

Dokažimo najprej spodnjo mejo:

  • števec je 0 za in pozitiven za ostale
  • imenovalec je pozitiven za vse
  • ulomek je torej 0 ali pozitiven za vse
  • dokazali smo, da velja za vse , zato je res spodnja meja danega zaporedja.

Dokažimo še zgornjo mejo:

  • števec in imenovalec sta pozitivna
  • ulomek je torej negativen za vse
  • dokazali smo, da velja za vse , zato je res zgornja meja danega zaporedja.

PREMISLITE

Kako ugotavljamo omejenost, če nimamo podane zgornje ali spodnje meje?

Odgovor

Kadar nimamo podane zgornje ali spodnje meje, jo najprej poskusimo uganiti, potem pa še dokažemo, če je res prava.

Pri ugibanju si lahko pomagamo tako, da napišemo nekaj členov zaporedja in iz tega ugotovimo obnašanje zaporedja. Pomagamo si lahko tudi s tem, da najprej ugotovimo, ali je zaporedje padajoče ali naraščajoče oziroma določimo intervale naraščanja in padanja.

Zgled:

Določite omejenost zaporedja .

  • Napišemo nekaj členov: 0, , ,
  • Ugibamo, da je zgornja meja .
  • Dokažemo zgornjo mejo: . je res zgornja meja.
  • Ugibamo, da zaporedje nima spodnje meje, saj so števila vedno večja v negativno smer.
  • Poglejmo to bolj podrobno: zapišimo kot . Ko raste, je vedno manjši, zato je razlika vedno večja in zaporedje nima spodnje meje.

Aritmetično zaporedje

Zaporedje je aritmetično, če je razlika med dvema zaporednima členoma konstantna. To razliko imenujemo diferenca.

Zgledi aritmetičnih zaporedij:

  • 1, 2, 3, 4, 5, ...;
  • 5, 2, -1, -4, -7, ...;
  • 3, 3, 3, 3, 3, ...;

Splošni člen aritmetičnega zaporedja je

Če hočemo izračunati -ti člen zaporedja, moramo torej poznati prvi člen in diferenco.



Zgled:

Izračunajte 61 člen aritmetičnega zaporedja s prvim členom in diferenco .

PREMISLITE

Kakšne so lastnosti aritmetičnega zaporedja?

Odgovor

Zapišite splošni člen aritmetičnega zaporedja z diferenco 5 in desetim členom .

Odgovor

Naraščanje - padanje:

Aritmetično zaporedje je naraščajoče, če je diferenca pozitivna, in padajoče, če je diferenca negativna. Če je razlika 0, je zaporedje konstantno.

  • , : 3, 5, 7, 9, 11, ...
  • , : 3, 1, -1, -3, -5, -7, ...
  • , : 3, 3, 3, 3, 3, ...



Omejenost:

Aritmetično zaporedje je vedno na eni strani omejeno, na drugi pa ne. Če je diferenca negativna, potem zaporedje pada in je navzgor omejeno, zgornja meja je prvi člen zaporedja . Če je diferenca pozitivna, potem zaporedje narašča in je navzdol omejeno, spodnja meja je prvi člen zaporedja .

  • , : 3, 5, 7, 9, 11, ...;
  • , : 3, 1, -1, -3, -5, -7, ...;

Zapišite splošni člen aritmetičnega zaporedja z diferenco 5 in desetim členom .

Diferenco imamo že podano, izračunati moramo še prvi člen .

  • Izrazimo :
  • Podan imamo 10. člen, zato namesto pišemo 10:
  • Vstavimo dane podatke in izračunamo:
  • Zapišemo splošni člen:

Geometrijsko zaporedje

Zaporedje je geometrijsko, če je količnik med dvema sosednjima členoma konstanten.

Zgledi geometrijskih zaporedij:

  • 1, 2, 4, 8, 16, ...;
  • 2, -1, , , ...;
  • 3, 3, 3, 3, 3, ...;

Splošni člen geometrijskega zaporedja je

. Če hočemo izračunati -ti člen zaporedja, moramo torej poznati prvi člen in količnik.

Zgled:

Izračunajte 20. člen geometrijskega zaporedja s prvim členom in količnikom .

PREMISLITE

Kakšne so lastnosti geometrijskega zaporedja?

Odgovor

Zapišite splošni člen geometrijskega zaporedja s količnikom in šestim členom .

Odgovor

Lastnosti geometrijskega zaporedja so odvisne od količnika in prvega člena.

PrimerČleniNaraščanje, padanjeOmejenost
3, 6, 12, 24, 48, 96, 192, 384,...naraščanavzdol omejeno, navzgor neomejeno
-3, -6, -12, -24, -48, -96, -192, -384,...padanavzgor omejeno, navzdol neomejeno
3, , , , , , , ,...padaomejeno
-3, -, -, -, , , , ,...naraščaomejeno
3, -, , , , , , ,...alterniraomejeno
-3, , -, , , , , ,...alterniraomejeno
3, -6, 12, -24, 48, -96, 192, -384,...alterniraneomejeno
-3, 6, -12, 24, -48, 96, -192, 384,...alterniraneomejeno

Zapišite splošni člen geometrijskega zaporedja s količnikom in šestim členom .

Da lahko zapišemo splošni člen, moramo poznati prvi člen in količnik. Količnik je že podan, izračunati moramo še prvi člen.

  • Podan imamo šesti člen, :
  • Izračunamo:

Vrsta

Zaporedje napišemo na naslednji način: , , , , , ...

Če te člene zapišemo kot vsoto: , temu rečemo vrsta. Vrsta je vsota členov nekega zaporedja. Če seštejemo prvih členov zaporedja, potem dobimo končno vrsto, če seštejemo neskončno členov, dobimo neskončno vrsto. Vpeljimo še oznake:

  • Končna vrsta:
  • Neskončna vrsta:

Kadar je členov končno, jih vedno lahko seštejemo. Včasih pa lahko seštejemo vrsto tudi, kadar je členov neskončno mnogo. Številu, ki ga dobimo, rečemo vsota vrste.

V nadaljevanju si bomo ogledali, na kakšen način lahko hitro seštejemo členov aritmetične vrste (ne da seštevamo člen po člen), členov geometrijske vrste in kdaj lahko seštejemo neskončno geometrijsko vrsto.

Končna aritmetična in geometrijska vrsta

Vsota prvih členov aritmetičnega zaporedja se imenuje tudi končna aritmetična vrsta. Izračunamo jo po formuli:

Vsoti prvih členov geometrijskega zaporedja rečemo tudi končna geometrijska vrsta. Izračunamo jo po formuli:


Zgled 1:

Seštejte prvih 10 členov aritmetičnega zaporedja .


Zgled 2:

Seštejte prvih 10 členov geometrijskega zaporedja .

PREMISLITE

Kako izpeljemo formulo za vsoto končne aritmetične vrste?

Odgovor

Kako izpeljemo formulo za vsoto končne geometrijske vrste?

Odgovor

Kako seštejemo končno geometrijsko vrsto kadar je ?

Odgovor

Splošna formula za končno vrsto je . Ker imamo aritmetično zaporedje, lahko člene zapišemo takole:

Lahko jih pa zapišemo še drugače:

Če ta dva izraza seštejemo, dobimo na levi strani , na desni pa .

Ker imamo geometrijsko zaporedje, lahko zapišemo kot:

Če to enačbo pomnožimo s , dobimo

Ti dve enačbi med seboj odštejemo, na desni strani se med seboj odštejejo skoraj vsi členi, ostane:

Izrazimo :

Splošni člen geometrijskega zaporedja je . Če je , je geometrijsko zaporedje konstantno: .

Vsota prvih členov geometrijskega zaporedja v tem primeru izračunamo kar po formuli

Limita zaporedja

Preden si bomo pogledali, kdaj lahko seštejemo neskončne vrste, moramo spoznati nekaj novih pojmov.

  • (epsilon) okolica števila je odprt interval okoli , širine .

    (okolica.png)
  • Kadar je v poljubno majhni okolici nekega števila neskončno mnogo členov zaporedja, se to število imenuje stekališče zaporedja. Zaporedje ima lahko eno stekališče, več stekališč ali nobenega.

    Aplikacija GeoGebra se ni mogla zagnati. Prosim preverite, ali imate v brskalniku namescen program Java 1.4.2 (ali novejsi) (Kliknite tu za namestitev Jave)
  • Če je stekališče eno samo in tako, da so v okolici tega števila vsi členi zaporedja od nekega člena naprej, potem se to število imenuje limita zaporedja.
  • Zaporedje, ki ima limito, se imenuje konvergentno zaporedje. Ostala zaporedja se imenujejo divergentna zaporedja.

Geogebra datoteka

PREMISLITE

Koliko stekališč ima zaporedje iz animacije? To zaporedje je

Odgovor

Razmislite o zaporedju, ki ima samo eno stekališče, vendar to stekališče ni limita.

Odgovor

Ali ima končno zaporedje limito?

Odgovor

Zaporedje na animaciji ima dve stekališči. Stekališči sta 1 in .

Aplikacija GeoGebra se ni mogla zagnati. Prosim preverite, ali imate v brskalniku namescen program Java 1.4.2 (ali novejsi) (Kliknite tu za namestitev Jave)

Poglejmo zaporedje . Členi zaporedja so: 1, 2, , 4, , 6, , 8... Členi , kjer ne liho število, se stekajo proti 0. Členi , kjer je sodo število, pa rastejo v neskončnost. Zaporedje torej ima eno stekališče, to je število 0, vendar pa niso vsi členi od nekega naprej v okolici tega stekališča, zato to stekališče ni limita zaporedja.

Aplikacija GeoGebra se ni mogla zagnati. Prosim preverite, ali imate v brskalniku namescen program Java 1.4.2 (ali novejsi) (Kliknite tu za namestitev Jave)

Geogebra datoteka

Končno zaporedje nima limite. Definicija stekališča pravi, da mora biti v okolici neskončno mnogo členov, končno zaporedje pa ima samo končno mnogo členov, zato tega pogoje ne izpolnjuje.

Pravila za računanje limit

drugače ne obstaja

Zgled: Izračunajte limito .

  • Uporabimo pravilo produkta in vsote limit:
  • Izračunamo posamezno limito:

    • , ker je 3 konstanta
    • , ker je
  • Vstavimo:

Postopek za računanje limit

Imamo več možnih variant:

1. Če v izrazu nastopa samo in naravne potence -ja, potem zaporedje nima limite.

  • ne obstaja

2. Če imamo ulomek, potem števec in imenovalec delimo z najvišjo potenco , ki nastopa v ulomku. Dobljeno naprej računamo po pravilih.

  • upoštevamo pravilo za limito vsote:

3. Če v izrazu nastopajo koreni, potem (če ni ulomek) izraz zapišemo kot ulomek in racionaliziramo tisti del, kjer nastopa razlika (pomnožimo z vsoto). Naprej računamo po točki 2 in po pravilih za računanje limit.

  • racionaliziramo:
  • upoštevamo točko 2:

4. Če nastopa v osnovi in v eksponentu, potem izraz preoblikujemo tako, da lahko uporabimo pravilo . Pomagamo si z uvedbo nove spremenljivke.

  • uvedemo novo spremenljivko: , ,
  • ustrezno zamenjamo:

Neskončna geometrijska vrsta

Končno členov zaporedja lahko vedno seštejemo. Poglejmo, kdaj lahko seštejemo člene neskončnega zaporedja.

Zapišimo delne vsote:

  • ...

Iz teh vsot naredimo novo zaporedje: . Če ima to zaporedje limito , potem neskončno vrsto lahko seštejemo in je vrednost vrste enaka limiti .

Poglejmo aritmetično in geometrijsko zaporedje.

Aritmetično zaporedje:

  • Splošni člen za vsoto vrste je . Uporabimo formulo za aritmetično zaporedje in dobimo . Izračunajmo limito: ne obstaja.

Geometrijsko zaporedje:

  • Splošni člen za vsoto vrste je . Izračunajmo limito: .
    Prva in tretja limita sta limiti konstante. Za drugo limito pa velja , če , drugače limita ne obstaja.
  • Imamo torej dve možnosti, če je geometrijsko zaporedje tako, da je , potem limito lahko izračunamo, . Če je geometrijsko zaporedje tako, da je , potem limite ne moremo izračunati.

Neskončno geometrijsko vrsto lahko seštejemo, če velja . Vsota te vrste je enaka .

0%
0%