Indukcja matematyczna. Ci¸
agi.
Przygotowa la Izabela Wardach 1
Indukcja matematyczna
Jest to metoda dowodzenia twierdzeń o liczbach naturalnych. Niech Tn oznacza twierdzenie dotycz¸
ace liczby naturalnej n. Metoda ta opiera si¸
e na nast¸
epuj¸
acej zasadzie:
Zasada indukcji matematycznej:
1. sprawdzamy prawdziwość twierdzenia dla n=1, 2. zak ladamy prawdziwość twierdzenia dla n=k teza → za lożenie indukcyjne,
3. z powyższego powinna wynikać prawdziwość twierdzenia dla n=k+1
dowód indukcyjny
Niech k ∈ N ∪ {0}. Symbol k! (czyt. k silnia) definiujemy nast¸
epuj¸
aco:
0! = 1, 1! = 1, k! = 1 · 2 · 3 · 4 · ... · k, k ≥ 2
(1)
Symbol Newtona n (czyt. n nad k lub n po k) definiujemy nast¸
epuj¸
aco:
k
n
n
n(n − 1)(n − 2)...(n − k + 1)
= 1,
=
,
k ≥ 1
(2)
0
k
k!
Symbole Newtona spe lniaj¸
a warunek:
n
n
n + 1
+
=
(3)
k
k + 1
k + 1
Jeeli n ∈ C i n ≥ k to
n
n!
=
(4)
k
k!(n − k)!
oraz
n
n
=
(5)
k
n − k
Wartości symboli Newtona możemy ustawić w nast¸
epuj¸
ac{a tabel¸
e - trójk¸
at Pascala:
0
0
1
1
0
1
2
2
2
0
1
2
3
3
3
3
0
1
2
3
......................................
.........................................
1na podstawie:
1. W.Leksiński, B.Macukow, W. Żakowski Matematyka dla maturzystów - definicje, twierdzenia, wzory, przyk lady, WNT, Warszawa 1994.
2. W. Żakowski Matematyka dla kandydatów na wyższe uczelnie - algebra i analiza matematyczna, WNT, Warszawa 1994.
1
n = 1 oraz n = 1, dla n ∈ N ∪ 0, 0
n
wi¸ec wszystkie wyrazy skrajne w tyn trójk¸
acie sa równe 1. Ponadto, zgodnie z 2, ka].zdy z pozosta lych wyrazów tr’ójk¸
ata Pascala jest sum¸
a najbliższych dwóch wyrazów znajduj¸
acych
si¸
e nad nim. Dzi¸
eki temu latwo odtwożyć z pami¸
eci:
1
1
1
1
2
1
1
3
3
1
1
4
6
4
1
.............................
Każd¸
a naturaln¸
a pot¸
eg¸
e dwumianu (a+b) można wyrazić w postaci wzoru dwumianowego Newtona:
n
n
n
n
n
X
n
(a + b)n =
an +
an−1b +
an−2b2 + ... +
bn =
an−kbk
(6)
0
1
2
n
k
k=0
CIA
¸ GI:
Ci¸
agiem nieskończonym nazywamy funkcj¸
e f , która odwzorowuje zbiór N liczb naturalnych w pewien niepusty zbiór Y .
Ci¸
ag (an) jest rosn¸
acy ⇔ V
a
n∈N
n+1 > an
Ci¸
ag (an) jest malej¸
acy ⇔ V
a
n∈N
n+1 < an
Ci¸
ag (an) jest nierosn¸
acy ⇔ V
a
n∈N
n+1n
Ci¸
ag (an) jest niemalej¸
acy ⇔ V
a
n∈N
n+1n
Ci¸
ag (a
V
n) jest ograniczony ⇔ W
|a
M
n∈N
n| < M
Ci¸
agiem arytmetycznym nazywamy ci¸
ag liczbowy, dla którego spe lnoiny jest warunek: an+1 = an − r czyli an = a1 + (n − 1)r Liczb¸e r nazywamy ró żni¸
a ci¸
agu artymetycznego. Ci¸
ag artymetyczny jest rosn¸
acy jeżeli
r > 0 a malej¸
acy jeżeli r < 0. Każdy środkowy wyraz (z wyj¸
atkiem pierwszego i ostatniego) jest średni¸
a arytmetyczn¸
a wyrazów s¸
asiednich:
an = an+1+an−1
2
Wzór na sum¸
e n pocz¸
atkowych wyrazów ci¸
agu arytmetycznego:
Sn = a1+an n
2
Ci¸
agiem geometrycznym nazywamy ci¸
ag liczbowy, dla którego spe lnoiny jest warunek: an+1 = an · q czyli an = an−1
1
2
Liczb¸e q nazywamy ilorazem ci¸
agu geometycznego. Każdy środkowy wyraz (z wyj¸
atkiem
pierwszego i ostatniego) spe lnia warunek: a2n = an+1 · an−1
Wzór na sum¸e n pocz¸
atkowych wyrazów ci¸
agu arytmetycznego:
Sn = a1 · 1−qn dla q 6= 1
1−q
Sn = n · a1 dla q = 1
Granica ci¸
agu nieskończonego.
Liczb¸
e g nazywamy granic¸
a ci¸
agu nieskończonego, jeżeli prawie wszystkie wyrazy tego ci¸
agu
leż¸
a w otoczeniu liczby g:
lim a
W
V
n = g ⇔ V
|an − g| <
x→∞
>0
δ
n>δ
epsilon Ci¸
ag, który posiada granic¸
e nazywamy zbie żnym, a ten, kóry jej nie posiada rozbie żnym.
Twierdzenia o dzia laniach na granicach ci¸
agów:
Jeżeli lim an = a i lim bn = b, to: x→∞
x→∞
lim (an + bn) = a + b
x→∞
lim (an − bn) = a − b
x→∞
lim (k · an) = k · a
x→∞
lim (anbn) = ab
x→∞
Jeżeli ponadto b 6= 0, oraz bn 6= 0, to: lim an = a
x→∞ bn
b
Zachodz¸
a równości :
lim 1 = 0
x→∞ n
lim C = C, C-sta la
x→∞
√
lim n a = 1
x→∞
√
lim n n = 1
x→∞
Liczba e jako granica ci¸
agu:
lim
1 + 1 n = e
x→∞
n
Twierdzenie o trzech ci¸
agach:
Jeżeli lim an = lim cn = g oraz an ≤ bn ≤ cn, to: x→∞
x→∞
lim bn = g
x→∞
3
Jeżeli lim an = 0 oraz ci¸ag bn jest ograniczony, to: x→∞
lim anbn = 0
x→∞
Szereg geometryczny:
Niech dany b¸
edzie nieskończony ci¸
ag geometryczny:
a1, a1q, a1q2, ...a1qn−1, ...
Ci¸
ag Sn o wyrazach:
S1 = a1, S2 = a1 + a1q, ..., Sn = a1 + a1q + a1q2 + ... + a1qn−1,...
nazywamy ci¸
agiem sum cz¸
eściowych nieskończonego ci¸
agu geometrycznego lub szeregiem geometrycznym. Gdy ci¸
ag ten ma granice S, to jest to suma szeregu geometrycznego i szereg ten jest wówczas zbieżny.
Twierdzenie: Szereg geometryczny jest zbieżny, gdy |q| < 1 lub a1 = 0 i wówczas S = 0, gdy a1 = 0
S = a1 dla |q| < 1
1−q
natomiast jest rozbieżny, gdy |q| ≥ 1 i a 6= 0.
4