Start › Definicje i teoria › Matematyka › Ciągi liczbowe
∑ Matematyka⚛ Fizyka⬡ Chemia📖 Język polski

Definicje: Ciągi liczbowe

Definicja ciągu liczbowego, ciąg arytmetyczny i geometryczny, monotoniczność ciągu i szereg geometryczny.

24 definicji
Ciąg arytmetyczny — definicja i własności SP · szkoła podstawowa
Definicja: Ciąg $(a_n)$ jest arytmetyczny, jeśli różnica dwóch kolejnych wyrazów jest stała: $$a_{n+1} - a_n = r = \text{const} \quad (r \text{ — różnica ciągu})$$ Wzór ogólny: $a_n = a_1 + (n-1) \cdot r$ Suma $n$ początkowych wyrazów: $S_n = \dfrac{n(a_1 + a_n)}{2} = \dfrac{n(2a_1 + (n-1)r)}{2}$
Prosto mówiąc: Ciąg arytmetyczny to taki, gdzie od wyrazu do wyrazu dodajesz zawsze tę samą liczbę $r$. Np. $3, 7, 11, 15, \ldots$ — za każdym razem $+4$.
Zastosowanie:
  • Suma liczb $1+2+3+\ldots+n = \dfrac{n(n+1)}{2}$ (Gauss)
  • Prognozowanie liniowe (np. cena rośnie o stałą kwotę rocznie)
  • Harmonogram spłat stałej kwoty rat kredytu
  • Każdy wielomian liniowy generuje ciąg arytmetyczny
Przykład: Ciąg: $5, 9, 13, 17, \ldots$ Znajdź $a_{20}$ i $S_{20}$.
  1. $r = 9 - 5 = 4$, $a_1 = 5$
  2. $a_{20} = 5 + (20-1)\cdot 4 = 5 + 76 = 81$
  3. $S_{20} = \dfrac{20(5+81)}{2} = \dfrac{20 \cdot 86}{2} = 860$
⚡ Zapamiętaj: Środkowy wyraz (lub średnia dwóch środkowych) ciągu arytmetycznego równa się średniej arytmetycznej całego ciągu. $a_n = \dfrac{a_{n-1}+a_{n+1}}{2}$.
Ciąg geometryczny — definicja i własności SP · szkoła podstawowa
Definicja: Ciąg $(b_n)$ jest geometryczny, jeśli iloraz dwóch kolejnych wyrazów jest stały: $$\frac{b_{n+1}}{b_n} = q = \text{const} \quad (q \neq 0 \text{ — iloraz ciągu})$$ Wzór ogólny: $b_n = b_1 \cdot q^{n-1}$ Suma $n$ wyrazów ($q \neq 1$): $S_n = b_1 \cdot \dfrac{q^n - 1}{q - 1}$ Suma nieskończona ($|q| \lt 1$): $S_\infty = \dfrac{b_1}{1-q}$
Prosto mówiąc: Ciąg geometryczny to taki, gdzie każdy wyraz mnożysz przez to samo $q$. Np. $2, 6, 18, 54, \ldots$ — za każdym razem $\times 3$.
Zastosowanie:
  • Procent składany (kapitalizacja): $K_n = K_0 \cdot (1+p)^n$
  • Wzrost/zanik wykładniczy (populacja, promieniotwórczość)
  • Skale muzyczne: każda oktawa podwaja częstotliwość
  • Ułamek dziesiętny okresowy jako suma nieskończona
Przykład: Lokata 1000 zł, oprocentowanie 5% rocznie. Ile po 3 latach?
  1. $q = 1{,}05$, $b_1 = 1000$
  2. $b_4 = 1000 \cdot 1{,}05^3 = 1000 \cdot 1{,}157625 \approx 1157{,}63$ zł
⚡ Zapamiętaj: $0{,}\overline{3} = \frac{3}{9} = \frac{1}{3}$. Dlaczego? To suma geometryczna: $\frac{3}{10} + \frac{3}{100} + \ldots = \frac{3/10}{1-1/10} = \frac{1}{3}$.
Ciągłość funkcji — punkty i rodzaje nieciągłości LO · szkoła średnia

$f$ ciągła w $a$ gdy: (1) $f(a)$ istnieje, (2) $\lim_{x\to a}f(x)$ istnieje, (3) $\lim_{x\to a}f(x)=f(a)$.

Rodzaje nieciągłości:

  • Usuwalna: $\lim_{x\to a}f(x)=L$, ale $f(a)\neq L$ lub nie istnieje → można „naprawić" przez definicję $f(a)=L$.
  • Skokowa: lewostronna $\neq$ prawostronna granica. Skok = różnica granic.
  • Istotna (nieokreślona): przynajmniej jedna granica jednostronna $=\pm\infty$ lub nie istnieje.

$f(x)=\frac{x^2-1}{x-1}$: nieciągłość usuwalna w $x=1$ (granica $=2$, $f(1)$ nie istnieje).

$f(x)=\text{sgn}(x)$: skok w $x=0$ (lewa granica $-1$, prawa $+1$).

$f(x)=\frac{1}{x}$: nieciągłość istotna w $x=0$.

Funkcje: wielomian, trygonometryczne, exp, log — ciągłe na całej dziedzinie. Złożenie funkcji ciągłych — ciągłe.

Granica i ciągłość funkcji — definicja Cauchy'ego LO · szkoła średnia

Definicja $\varepsilon$-$\delta$ (Cauchy): $\lim_{x\to a} f(x) = L$ gdy:

$$\forall\varepsilon>0\;\exists\delta>0:\; 0\lt |x-a|\lt \delta \Rightarrow |f(x)-L|\lt \varepsilon$$

Ciągłość w punkcie $a$: $\lim_{x\to a^-}f(x) = \lim_{x\to a^+}f(x) = f(a)$.

Nieciągłości: usuwalna ($\lim$ istnieje, ale $\ne f(a)$), skokowa (granice jednostronne różne), istotna (brak granicy).

Tw. Weierstrassa: funkcja ciągła na $[a,b]$ osiąga max i min. Tw. Darboux (wartości pośredniej): $f(a)\lt 0\lt f(b)$ → $\exists c\in(a,b): f(c)=0$.

Wielomiany, funkcje trygonometryczne, wykładnicze — ciągłe wszędzie. $\frac{1}{x}$ — nieciągła w $x=0$.

Szereg Taylora i Maclaurina — rozwinięcia funkcji LO · szkoła średnia
$$f(x) = \sum_{n=0}^{\infty} \frac{f^{(n)}(a)}{n!}(x-a)^n \quad \text{(Taylor wokół } a\text{)}$$ $$f(x) = \sum_{n=0}^{\infty} \frac{f^{(n)}(0)}{n!} x^n \quad \text{(Maclaurin: }a=0\text{)}$$

Podstawowe rozwinięcia:

$e^x = 1 + x + \frac{x^2}{2!} + \frac{x^3}{3!} + \ldots$ (wszystkie $x$)

$\sin x = x - \frac{x^3}{3!} + \frac{x^5}{5!} - \ldots$

$\cos x = 1 - \frac{x^2}{2!} + \frac{x^4}{4!} - \ldots$

$\ln(1+x) = x - \frac{x^2}{2} + \frac{x^3}{3} - \ldots$ ($|x|\lt 1$)

Dla małych $x$: $\sin x \approx x$, $\cos x \approx 1 - \frac{x^2}{2}$, $e^x \approx 1+x$ — aproksymacje liniowe i kwadratowe.

Ciągłość funkcji — warunki i nieciągłości LO · szkoła średnia
Definicja: Funkcja jest ciągła w $a$, gdy: (1) $f(a)$ istnieje, (2) $\lim_{x\to a}f(x)$ istnieje, (3) $\lim_{x\to a}f(x)=f(a)$. Rodzaje nieciągłości: usuwalna, skokowa, istotna.
Prosto mówiąc: Funkcja ciągła: możesz narysować jej wykres "bez odrywania ołówka od kartki". Każda "dziura", "skok" lub "asymptota pionowa" to punkt nieciągłości.
Zastosowanie:
  • Twierdzenie Weierstrassa (ekstrema na domkniętym)
  • Twierdzenie o wartości pośredniej (istnienie pierwiastków)
  • Fizyka — ciągłe procesy fizyczne
Przykład: $f(x)=\begin{cases}\tfrac{x^2-1}{x-1}&x\neq1\\2&x=1\end{cases}$. $\lim_{x\to1}\tfrac{x^2-1}{x-1}=\lim(x+1)=2=f(1)$ → ciągła w $x=1$ (usunięta nieciągłość usuwalna).
⚡ Zapamiętaj: Wielomiany, funkcje trygonometryczne, wykładnicze, logarytmiczne są ciągłe na całej swej dziedzinie. Nieciągłości pojawiają się przy złączeniach i zerach mianowników.
Ciągi liczbowe LO · szkoła średnia

Pojęcie ciągu

Ciąg to funkcja określona na zbiorze liczb naturalnych. Wyraz o numerze $n$ oznaczamy $a_n$. Ciąg można zadać wzorem ogólnym (jawnym) albo rekurencyjnym.

Ciąg arytmetyczny

Stała różnica $r$ między kolejnymi wyrazami:

$$a_n=a_1+(n-1)r$$

$$S_n=\frac{a_1+a_n}{2}\cdot n$$

Własność charakterystyczna: $a_n=\frac{a_{n-1}+a_{n+1}}{2}$ — każdy wyraz jest średnią arytmetyczną sąsiadów.

Ciąg geometryczny

Stały iloraz $q$ kolejnych wyrazów:

$$a_n=a_1q^{n-1}$$

$$S_n=a_1\cdot\frac{1-q^n}{1-q}\qquad(q\ne1)$$

Własność: $a_n^2=a_{n-1}\cdot a_{n+1}$.

Szereg geometryczny

Dla $|q|\lt 1$ suma nieskończenie wielu wyrazów jest skończona:

$$S=\frac{a_1}{1-q}$$

Przykład: $1+\frac12+\frac14+\ldots=\frac{1}{1-\frac12}=2$.

Procent składany

$$K_n=K_0\left(1+\frac{p}{100}\right)^n$$

To bezpośrednie zastosowanie ciągu geometrycznego — kapitał rośnie geometrycznie.

Na co uważać

We wzorze ogólnym ciągu arytmetycznego jest $(n-1)r$, a nie $nr$ — do dziesiątego wyrazu dodajemy różnicę dziewięć razy. Wzór na sumę ciągu geometrycznego nie działa dla $q=1$ (dzielenie przez zero) — ten przypadek rozpatruj osobno. Przy szeregu najpierw sprawdź warunek $|q|\lt 1$.

Granice i ciągłość funkcji LO · szkoła średnia

Intuicja granicy

Zapis $\lim\limits_{x\to x_0}f(x)=g$ oznacza, że gdy argument zbliża się do $x_0$, wartości funkcji zbliżają się do $g$. Sama wartość $f(x_0)$ może przy tym nie istnieć.

Obliczanie granic

Dla funkcji ciągłych wystarczy podstawić:

$$\lim_{x\to2}(3x+1)=7$$

Gdy podstawienie daje symbol nieoznaczony $\frac00$, przekształcamy wyrażenie — najczęściej przez rozkład na czynniki i skrócenie:

$$\lim_{x\to3}\frac{x^2-9}{x-3}=\lim_{x\to3}\frac{(x-3)(x+3)}{x-3}=\lim_{x\to3}(x+3)=6$$

Granice w nieskończoności

Dla ilorazu wielomianów decyduje porównanie stopni:

  • stopień licznika $\lt $ mianownika → granica $0$
  • stopnie równe → iloraz współczynników wiodących
  • stopień licznika $>$ mianownika → granica niewłaściwa ($\pm\infty$)

$$\lim_{x\to\infty}\frac{2x^2+1}{x^2-3}=2,\qquad \lim_{x\to\infty}\frac{3x+2}{x^2+1}=0$$

Ciągłość

Funkcja jest ciągła w punkcie $x_0$, gdy spełnione są trzy warunki naraz: istnieje $f(x_0)$, istnieje granica w $x_0$, i te dwie wartości są równe.

Asymptoty

Pionowa $x=a$ — gdy granica jednostronna w $a$ jest niewłaściwa (typowo tam, gdzie zeruje się mianownik). Pozioma $y=g$ — gdy $\lim\limits_{x\to\pm\infty}f(x)=g$.

Na co uważać

Symbol $\frac00$ nie oznacza, że granica nie istnieje — to sygnał, że wyrażenie wymaga przekształcenia. Granice jednostronne mogą się różnić; wtedy granica w punkcie nie istnieje, mimo że obie jednostronne są dobrze określone.

Ciągi arytmetyczne i geometryczne — wzory i zastosowania LO · szkoła średnia

Dwa rodzaje ciągów

Arytmetyczny — każdy kolejny wyraz powstaje przez dodanie stałej różnicy $r$.

Geometryczny — każdy kolejny wyraz powstaje przez pomnożenie przez stały iloraz $q$.

Wyraz ogólny

$$a_n=a_1+(n-1)r \qquad\text{(arytmetyczny)}$$

$$a_n=a_1\cdot q^{\,n-1} \qquad\text{(geometryczny)}$$

W obu wzorach występuje $n-1$, a nie $n$ — od pierwszego do $n$-tego wyrazu wykonujemy $n-1$ kroków.

Suma początkowych wyrazów

$$S_n=\frac{a_1+a_n}{2}\cdot n \qquad\text{(arytmetyczny)}$$

$$S_n=a_1\cdot\frac{q^{\,n}-1}{q-1} \qquad\text{(geometryczny, } q\neq1)$$

Pierwszy wzór to po prostu liczba wyrazów razy ich średnia — parujemy pierwszy z ostatnim, drugi z przedostatnim, a każda para daje tę samą sumę.

Wyraz środkowy

$$b=\frac{a+c}{2} \ \text{(arytm.)},\qquad b=\sqrt{ac} \ \text{(geom., dodatnie)}$$

To średnia arytmetyczna i średnia geometryczna. W zadaniu „liczby $4$, $x$, $25$ tworzą ciąg” odpowiedź zależy od rodzaju ciągu: $14{,}5$ albo $10$.

Sprytne podstawienia

Trzy kolejne wyrazy ciągu arytmetycznego zapisujemy jako $a-r$, $a$, $a+r$ — wtedy ich suma to $3a$, bez $r$.

Dla geometrycznego: $\frac{a}{q}$, $a$, $aq$ — iloczyn to $a^3$, bez $q$.

Te podstawienia zamieniają układ dwóch równań w jedno.

Monotoniczność

Ciąg arytmetyczny rośnie, gdy $r>0$, maleje, gdy $r\lt 0$. Pierwszy wyraz nie ma znaczenia.

Ciąg dany wzorem $a_n=pn+q$ jest arytmetyczny o różnicy $p$.

Szereg geometryczny

$$S=\frac{a_1}{1-q} \qquad\text{dla } |q|\lt 1$$

Warunek dotyczy modułu ilorazu. Dla $q=-5$ mamy $q\lt 1$, ale szereg jest rozbieżny.

Przykład: $8+4+2+1+\dots=\frac{8}{1-\frac12}=16$.

Procent składany

$$K_n=K_0(1+p)^n$$

To ciąg geometryczny o ilorazie $1+p$. Przy kapitalizacji częstszej niż roczna dzielimy stopę i mnożymy liczbę okresów:

$$K=K_0\left(1+\frac{p}{m}\right)^{mn}$$

Dla $5000$ zł na $12\%$ z kapitalizacją kwartalną po roku mamy $5000\cdot1{,}03^4\approx5627{,}54$ zł — o $27{,}54$ zł więcej niż przy rocznej.

Spadek wartości

Ten sam wzór z $q\lt 1$ opisuje amortyzację. Samochód tracący $15\%$ rocznie po trzech latach wart jest $0{,}85^3\approx61{,}4\%$ ceny początkowej — a nie $55\%$.

Na co uważać

Nie myl wykładnika $n$ z $n-1$. Sprawdzaj warunek $|q|\lt 1$ przed użyciem wzoru na sumę szeregu. I pamiętaj, że w ciągu geometrycznym żaden wyraz nie może być zerem.

Ciągi określone rekurencyjnie (klasa 3 LO) LO · szkoła średnia

Definicja

Ciąg zadany rekurencyjnie ma podany pierwszy wyraz i regułę wyznaczania następnego: $a_1=c$, $a_{n+1}=f(a_n)$.

Przykład

$a_1=1$, $a_{n+1}=a_n+2$ daje $1,3,5,7,\ldots$

Ciąg Fibonacciego

$a_1=a_2=1$, $a_{n+2}=a_{n+1}+a_n$.

Uwaga

Aby obliczyć daleki wyraz, trzeba wyznaczyć wyrazy pośrednie.

Ciągi monotoniczne (klasa 3 LO) LO · szkoła średnia

Definicja

Ciąg jest rosnący, gdy $a_{n+1}>a_n$ dla każdego $n$, i malejący, gdy $a_{n+1}\lt a_n$.

Badanie

Wyznaczamy znak różnicy $a_{n+1}-a_n$ lub ilorazu $\frac{a_{n+1}}{a_n}$ (dla wyrazów dodatnich).

Przykład

$a_n=2n-1$ jest rosnący, bo $a_{n+1}-a_n=2>0$.

Ciąg stały

Gdy $a_{n+1}=a_n$ dla każdego $n$.

Ciągi rozbieżne (klasa 3 LO) LO · szkoła średnia
Temat lekcji: Ciągi rozbieżne

Definicja

Ciąg rozbieżny nie ma skończonej granicy.

Do nieskończoności

Np. $a_n=n$ dąży do $+\infty$.

Oscylujące

Np. $a_n=(-1)^n$ przyjmuje na przemian $-1$ i $1$ — brak granicy.

Uwaga

Rozbieżność do $\pm\infty$ to granica niewłaściwa.

Granica ciągu (klasa 3 LO) LO · szkoła średnia
Temat lekcji: Granica ciągu

Pojęcie

Ciąg jest zbieżny do $g$, gdy jego wyrazy dowolnie zbliżają się do $g$ dla dużych $n$: $\lim_{n\to\infty} a_n=g$.

Podstawowe granice

$\lim_{n\to\infty}\frac{1}{n}=0$, $\lim_{n\to\infty} c=c$.

Granice ilorazów

Dzielimy licznik i mianownik przez najwyższą potęgę $n$.

Przykład

$\lim_{n\to\infty}\frac{2n+1}{n}=2$.

Pojęcie ciągu (klasa 3 LO) LO · szkoła średnia
Temat lekcji: Pojęcie ciągu

Definicja

Ciąg to funkcja określona na zbiorze liczb naturalnych; wartości $a_1,a_2,a_3,\ldots$ to wyrazy ciągu.

Sposoby zadawania

Wzorem ogólnym $a_n$, rekurencyjnie lub opisem.

Wyraz ogólny

$a_n$ pozwala obliczyć dowolny wyraz, np. $a_n=2n$ daje $a_5=10$.

Wykres

To zbiór odizolowanych punktów $(n,a_n)$.

Ciąg arytmetyczny (klasa 3 LO) LO · szkoła średnia

Definicja

Każdy wyraz powstaje przez dodanie stałej różnicy $r$: $a_{n+1}=a_n+r$.

Wyraz ogólny

$a_n=a_1+(n-1)r$.

Suma

$S_n=\frac{a_1+a_n}{2}\cdot n$.

Własność

Każdy wyraz (poza skrajnymi) to średnia sąsiadów: $a_n=\frac{a_{n-1}+a_{n+1}}{2}$.

Ciąg geometryczny (klasa 3 LO) LO · szkoła średnia

Definicja

Każdy wyraz powstaje przez pomnożenie przez stały iloraz $q$: $a_{n+1}=a_n\cdot q$.

Wyraz ogólny

$a_n=a_1\cdot q^{n-1}$.

Suma

$S_n=a_1\cdot\frac{1-q^n}{1-q}$ dla $q\neq1$.

Własność

Kwadrat wyrazu to iloczyn sąsiadów: $a_n^2=a_{n-1}\cdot a_{n+1}$.

Obliczanie granic ciągów (klasa 3 LO) LO · szkoła średnia

Metoda

W ilorazach wielomianów dzielimy licznik i mianownik przez najwyższą potęgę $n$.

Przykład

$\lim_{n\to\infty}\frac{3n^2+1}{n^2+n}=3$.

Twierdzenia

Granica sumy, różnicy, iloczynu i ilorazu ciągów zbieżnych to odpowiednie działania na granicach.

Ciąg geometryczny

Dla $|q|\lt 1$ zachodzi $\lim_{n\to\infty} q^n=0$.

Ciągi liczb całkowitych (klasa 3 LO) LO · szkoła średnia

Definicja

Ciąg, którego wszystkie wyrazy są liczbami całkowitymi.

Przykłady

$a_n=2n-1$ (nieparzyste), $a_n=(-1)^n$ (naprzemienny).

Monotoniczność

Badamy znak różnicy $a_{n+1}-a_n$.

Zastosowanie

Modelowanie sytuacji o wartościach całkowitych (liczba obiektów).

Ciągi monotoniczne — badanie (klasa 3 LO) LO · szkoła średnia

Metoda różnicy

Badamy znak $a_{n+1}-a_n$: dodatni — rosnący, ujemny — malejący.

Metoda ilorazu

Dla wyrazów dodatnich porównujemy $\frac{a_{n+1}}{a_n}$ z $1$.

Ograniczoność

Ciąg jest ograniczony, gdy istnieją stałe $m\le a_n\le M$.

Zbieżność

Ciąg monotoniczny i ograniczony jest zbieżny.

Sposoby określania ciągu (klasa 3 LO) LO · szkoła średnia

Wzór ogólny

Podaje $a_n$ wprost, np. $a_n=2n+1$.

Rekurencja

Pierwszy wyraz i reguła przejścia, np. $a_1=1$, $a_{n+1}=a_n+3$.

Opis słowny

Np. „kolejne liczby pierwsze".

Tabela lub wykres

Przedstawienie pierwszych wyrazów.

Ciągi arytmetyczne i geometryczne — wzory (klasa 3 LO) LO · szkoła średnia

Arytmetyczny

$a_n=a_1+(n-1)r$, $S_n=\frac{a_1+a_n}{2}\cdot n$.

Geometryczny

$a_n=a_1 q^{n-1}$, $S_n=a_1\frac{1-q^n}{1-q}$ dla $q\neq1$.

Własności

Wyraz środkowy to średnia (arytmetyczna lub geometryczna) sąsiadów.

Zastosowanie

Odsetki, spłaty, wzrost i rozpad.

Ciągi — zagadnienia uzupełniające (klasa 3 LO) LO · szkoła średnia

Rodzaje

Arytmetyczne, geometryczne, monotoniczne, ograniczone, rekurencyjne.

Wzory

$a_n$ i $S_n$ dla ciągu arytmetycznego i geometrycznego.

Granica

Ciąg zbieżny ma granicę skończoną; rozbieżny — nie.

Zastosowania

Procent składany, spłaty rat, modele wzrostu.

Szereg geometryczny (klasa 3 LO) LO · szkoła średnia
Temat lekcji: Szereg geometryczny

Definicja

Szereg geometryczny to suma wyrazów ciągu geometrycznego.

Zbieżność

Dla $|q|\lt 1$ suma nieskończona wynosi $S=\frac{a_1}{1-q}$.

Przykład

$1+\frac12+\frac14+\ldots=\frac{1}{1-\frac12}=2$.

Zastosowanie

Zamiana ułamka okresowego na zwykły, modele wygaszania.

Własności funkcji ciągłych (klasa 3 LO) LO · szkoła średnia

Ciągłość

Funkcja jest ciągła, gdy jej wykres można narysować bez odrywania ołówka; granica w punkcie równa się wartości.

Własność Darboux

Funkcja ciągła na przedziale przyjmuje wszystkie wartości pośrednie.

Wniosek

Jeśli na krańcach przedziału wartości mają różne znaki, wewnątrz istnieje miejsce zerowe.

Zacznij dziś

Zacznij naukę już dziś — to nic nie kosztuje

Załóż bezpłatne konto i otwórz dostęp do pełnego śledzenia postępów, planów nauki i quizów. Arkusze i zadania podstawowe są dostępne bez rejestracji. Już ponad 5 000 uczniów uczy się z Matematix.