1. Задание числовой
последовательности |
Определение. Занумерованный
ряд чисел
a1,
a2, a3, …, an,
… называется числовой последовательностью. |
Наиболее простой способ задания
последовательности – это ее задание с помощью формулы общего члена,
т. е. формулы, явно выражающей зависимость
n-ого
члена последовательности от
n.
Например, формула
an
= 2n задает последовательность четных чисел
2, 4,
6, 8, … .
Другим важным способом задания последовательности является так
называемый рекуррентный способ, при котором задается выражение,
связывающее
n-ый
член последовательности с одним или несколькими предыдущими. Слово
рекуррентный происходит от латинского слова рекурсия, что означает
возврат. Вычисляя новый, очередной член последовательности, мы как
бы возвращаемся назад, к уже вычисленным, предыдущим членам. |
Примеры
1. Рекуррентное соотношение
an =
an – 1 + 2 вместе с условием
a1 =
1 задает арифметическую прогрессию с
первым членом
1
и разностью
2: 1,
3, 5,
7, … . Это последовательность нечетных чисел.
2. Рекуррентное соотношение
an =
2an – 1 вместе с условием
a1 =
1 задает геометрическую прогрессию с
первым членом
1
и знаменателем
2: 1,
2,
22,
23, … . Это последовательность
степеней двойки, начиная с нулевой степени.
Кстати, иногда члены последовательности удобно нумеровать с нуля,
или вообще выбирать другой способ нумерации.
3. Рекуррентное соотношение
an =
an – 1 + an – 2 вместе с
условием
a0 =
0, a1
= 1 задает последовательность чисел
Фибоначчи:
0, 1,
1, 2, 3,
5, 8,
13, 21,
… . |
Последовательность может быть задана словесным
описанием, в котором определяется процесс построения членов
последовательности.
Например, описание «пусть
an
– это
n-ое
простое число» задает последовательность
2, 3,
5,
7, 11,
13, …, члены которой берутся из таблицы простых
чисел или вычисляются каким-либо другим способом (например, с
помощью решета Эратосфена).
Последовательность является дискретным вариантом понятия функции. В
отличие от привычной функции типа
y = f(x),
аргумент которой
x
определен на некотором числовом промежутке,
последовательность
а1,
а2, …, … можно считать
функцией, аргумент которой
n
принимает дискретный ряд значений
n = 1, 2,
3, … . Часто ее
n-ый
член можно выразить как значение некоторой обычной функции
y = f(x)
для
x = n:
an
= f(n). |
|
Упражнение.
Используя инструмент, выполните следующие задания.
1. Постройте явное (динамическая модель
слева) и рекуррентное (динамическая модель справа) описание
последовательности
1, 2, 3,
4, 5, ....
2. Постройте явное и рекуррентное описание последовательности
-3, -1, 1, 3, 5, ....
3. Постройте рекуррентное описание
последовательности
1, 2, 4, 8, 16,
.... 4.
Постройте рекуррентное описание последовательности
1, 2,
5, 14,
41, .... |
2. Действия над последовательностями
Числовые последовательности могут обладать свойствами, которые мы
обсуждали при изучении обычных функций. |
Определение. Числовая последовательность
называется возрастающей, если каждый ее член больше предыдущего,
иными словами, если для всякого
n > 1
верно неравенство
an >
an – 1. |
Аналогично дается определение убывающей
числовой последовательности.
Вместе возрастающие и убывающие последовательности называются
монотонными последовательностями.
Последовательность
a1,
a2, … можно изобразить «графиком»,
который будет состоять из отдельных точек координатной плоскости. |
|
Так же, как и для обычных функций, по графику
можно судить о различных свойствах последовательностей. Возрастающие
и убывающие последовательности изображаются точками, лежащими на
графиках монотонных функций. |
Определение. Последовательность
a1,
a2, a3, …
называется ограниченной, если для ее такое число
С,
что неравенство
|an|
C
выполняется для всех номеров
n. |
Если последовательность является возрастающей, то
для ее ограниченности достаточно найти число
С
такое, что
an
C
при всех
n.
Наоборот, для ограниченности убывающей последовательности достаточно
проверить неравенство вида
an
C, которое должно выполняться для всех
n.
Вообще, если для всех членов последовательности выполняется
неравенство
an
C (an
C),
то говорят, что она ограничена сверху (снизу). Если мы говорим об
ограниченной последовательности, то ясно, что она ограничена как
сверху, так и снизу.
Так же, как над произвольными функциями (заданными на одном и том же
множестве), над последовательностями можно производить
арифметические операции: сложение (вычитание) и умножение (деление). |
Суммой двух последовательностей
a1,
a2, a3, … и
b1,
b2, b3, …
называется последовательность
c1,
c2, c3, …,
образованная суммами соответствующих членов:
c1 =
a1 + b1, c2
= a2 + b2,
c3 =
a3 + b3, … . |
Аналогично перемножаются две последовательности:
d1 =
a1
b1,
d2
= a2
b2,
d3
= a3
b3, … .
Если последовательность
b1,
b2, … постоянна, т. е. если
bn =
b для любого
n,
то произведение последовательностей
a1,
a2, … и
b1,
b2, … выглядит так:
ba1,
ba2, … и называется
произведением постоянного числа
b
на последовательность
a1,
a2, … . |
Примеры
1.
1, 4,
9, 16, …,
an
= n2.
Эта последовательность является возрастающей (аналогично тому, что
функция
y = x2
возрастает при
x
0). Она не является ограниченной, так как
n2
может стать сколь угодно большим.2.
1,
Эта последовательность является убывающей:
1 >
что аналогично убыванию функции
для
x > 0.
Последовательность
является ограниченной:
|an| 1.
Разумеется, так как эта
последовательность убывает, то каждый ее член меньше первого:
an
a1 =
1.
Важно то, что она ограничена снизу:
an >
0.
3.
an –
n-ое
десятичное приближение с недостатком к числу
Эта
последовательность возрастает и ограничена:
an
<
С каждой последовательностью
a1,
a2, a3, … можно
связать две новых последовательности. |
Последовательность сумм
s1 =
a1
s2 =
a1 + a2
s3 =
a1 + a2 + a3
и т. д.
Последовательность сумм можно определить рекуррентно:
s1 =
a1; sn
= sn – 1 + an.
Последовательность разностей
c1 =
a2 – a1,
c2 =
a3 – a2,
c3 =
a4 – a3 и т. д.
|
Построим последовательности разностей для нескольких примеров. 1.
an: 1, 2, 3, 4, …
an =
n
cn: 1, 1, 1, …
cn =
1
2.
an: 1, 3, 5, 7, …
an
= 2n – 1
cn: 2, 2, 2, …
cn
= 2
3.
an: 1, 2, 22, 23,
…
an
= 2n – 1
cn: 1, 2, 4, …
cn
= 2n – 1
4.
an: 1, 22, 32, 42,
…
an
= n2
cn: 3, 5, 7, …
cn =
2n + 1
5.
an: 1, 1, 2, 3, 5, 8,
…
an
– числа Фибоначчи
cn: 0, 1, 1, 2, 3, …
cn
те же числа со сдвинутым номером
6.
an: 1, 23, 33,
…
an =
n3
cn:
7, 19, 37, …
cn
= (n + 1)3 – n3 = 3n2 + 3n + 1
|
Рассматривая эти примеры, можно заметить несколько закономерностей.
Если общий член последовательности записывается многочленом от
n,
то степень общего члена разностей будет на единицу меньшей. В
примерах
1
и
2
член
an
линейно зависит от
n,
в примере
4
квадратично, в примере
6
– зависимость кубическая. Соответствующие последовательности
разностей постоянны (степень
0),
линейны или квадратичны. В последовательности
3
общий член задан показательной функцией. Общий член
последовательностей разностей имеет тот же вид.
Аналогичные наблюдения можно сделать и для последовательности чисел
Фибоначчи. Оказывается, что имеется общий закон – если
последовательность задается как показательная функция от
n,
то последовательность разностей будет пропорциональна той же
показательной функции.
Построение последовательности разностей и ее свойства являются
дискретным аналогом вычисления производной. Аналогично суммирование
последовательности аналогично другой операции математического
анализа – интегрированию. |
|
|
|
|