Számtani sorozat

A számtani sorozat (más néven aritmetikai sorozat, régies néven számtani vagy aritmetikai haladvány) egy elemi matematikai fogalom, mely a matematika sok részterületén előfordul. Egy legalább három számból álló – akár véges, akár végtelen – sorozatot akkor nevezünk számtani sorozatnak, ha a szomszédos elemek különbsége – differenciája – (a sorozatra jellemző) állandó.

Triviális példák a csupa azonos elemből álló konstans sorozatok, hiszen ezekben két szomszédos elem különbsége mindig 0; a legegyszerűbb nem triviális példák a természetes számok sorozata (0, 1, 2, 3, 4, 5, …) vagy a páros számok sorozata (0, 2, 4, 6, 8, 10, 12, …). A számtani sorozat a kontinuum felett értelmezett valós függvények elméletében definiálható egyváltozós lineáris függvény fogalmának diszkrét megfelelője, ahol e függvény értelmezési tartománya a természetes számok halmaza (D{an} ∈ N).

Definíciói

Különbségsorozattal

Számtani sorozatoknak nevezzük azokat a sorozatokat, amelyekben (a másodiktól kezdve) bármelyik tag és az azt megelőző tag különbsége állandó, vagyis

a n − a n − 1 = d {\displaystyle a_{n}-a_{n-1}=d} ,   ha n > 1 {\displaystyle n>1}

A sorozat (fent d-vel jelölt) különbségét, más szóval növekményét differenciának nevezzük, szokásos jelölése általában is d.

Példák a számtani sorozatra:
− 5 ; − 1 ; 3 ; 7 ; 11 … {\displaystyle -5;-1;3;7;11\dots } , itt a differencia 4, a 1 {\displaystyle a_{1}} =–5, a 2 {\displaystyle a_{2}} =–1, a 3 {\displaystyle a_{3}} =3 stb.
128 ; 112 ; 96 ; 80 ; 64 … {\displaystyle 128;112;96;80;64\dots } , a differencia –16, a 1 {\displaystyle a_{1}} =128, a 2 {\displaystyle a_{2}} =112, a 3 {\displaystyle a_{3}} =96 stb.
3 , 41 ;   5 , 71 ;   8 , 01 ;   10 , 31 ;   12 , 61 … {\displaystyle 3,41;\ 5,71;\ 8,01;\ 10,31;\ 12,61\dots } , a differencia 2,3.
25 7 ; 14 7 ; 3 7 ; − 8 7 ; − 19 7 {\displaystyle {\frac {25}{7}};{\frac {14}{7}};{\frac {3}{7}};-{\frac {8}{7}};-{\frac {19}{7}}} , a differencia − 11 7 {\displaystyle -{\frac {11}{7}}} . Ahogy látható, a sorozat elemei és a differencia is lehetnek törtek.

A különbségsorozat fogalma segítségével a számtani sorozat definíciója így hangzik: a 1 , a 2 , a 3 … a n , a n + 1 … {\displaystyle a_{1},a_{2},a_{3}\dots a_{n},a_{n+1}\dots } akkor és csak akkor számtani sorozat, ha a n + 1 − a n = d {\displaystyle a_{n+1}-a_{n}=d} állandó, minden olyan n ∈ N {\displaystyle n\in \mathbb {N} } -ra, amelyre van a sorozatnak n-edik tagja (ha esetleg a sorozat véges lenne).

Teljesen formalizálva, (an) akkor és csak akkor számtani sorozat, ha létezik olyan C valós szám, amelyre a sorozat két egymást sorrendben követő elemének a különbözete C állandó (a sorozat n indexei pozitív egészek), azaz:

( ∃ C ∈ R ) ( ∀ n ∈ N ) : Δ a n = a n + 1 − a n = C {\displaystyle (\exists C\in \mathbb {R} )(\forall n\in \mathbb {N} ):\Delta a_{n}=a_{n+1}-a_{n}=C}

Rekurzív definíció

A fentiekből következik a számtani sorozat rekurzív képlete:

a n + 1 = a n + d , ∀ n ∈ N + {\displaystyle a_{n+1}=a_{n}+d,\forall n\in N^{+}}

Ez azt jelenti, hogy a sorozat következő elemét mindig úgy kapjuk, hogy hozzáadjuk az előző taghoz a differenciát. Ez tényleg pontosan azt jelenti, hogy a sorozat szomszédos tagjainak különbsége állandó.

A képletből következően a számtani sorozatok halmaza egy rekurzív sorozat-család, minimális rekurziós rendje 1, rekurziós szabálya(i) pedig a φd: R→R; φd(x) := x+d függvénycsalád, ahol d a sorozat(ok)ra jellemző állandó.

„Általános taggal”

Az első taggal kifejezve

A sorozat n-edik elemére nem csak rekurzív, hanem explicit képlet is adható. Mivel a sorozat minden lépésben d-vel változik, ezért

a n = a 1 + ( n − 1 ) ⋅ d {\displaystyle a_{n}=a_{1}+(n-1)\cdot d} .

Bővebben,

Hasonlóan haladva és teljes indukcióval bizonyíthatóan,

A szomszédos tagokkal kifejezve

Ugyanezen okból – a lépésről lépésre d-vel való növekedés miatt – vezethető le az a tulajdonság, amelyről a számtani sorozatok nevüket nyerték. U.is véve a sorozat n-edik (de legalább második) elemét, a megelőző elem d-vel kisebb (an-1 = an-d), a rákövetkező elem d-vel nagyobb (an+1 = an+d).

Tehát (összeadva a fenti egyenlőségeket) an-1 + an+1 = (an-d)+(an+d) = 2an.

Vagyis az n-edik elem a két szomszédos elem számtani közepe („átlaga”):

a n = a n − 1 + a n + 1 2 {\displaystyle a_{n}={\frac {a_{n-1}+a_{n+1}}{2}}} .

De érvényes – hasonló okok miatt – az ennél általánosabb

a n = a n − i + a n + i 2 {\displaystyle a_{n}={\frac {a_{n-i}+a_{n+i}}{2}}} .

egyenlőség is minden i<n-re. Azaz egy sorozat akkor és csak akkor számtani sorozat, ha bármely eleme számtani közepe a sorozatban tőle azonos index-távolságra lévő tagoknak. A fenti gondolatmenet egyébként nem igazolja, hogy bármely, a fenti tulajdonsággal jellemezhető sorozat szükségképp számtani, noha az is igaz, ld. Számtani közép/Számtani sorozatok.

Analitikus szemléletű definíció

Az n-edik tagra vonatkozó képletben csoportosítva az állandó és a változó mennyiségeket:

a n = d n + ( a 1 − d ) {\displaystyle a_{n}=dn+(a_{1}-d)} .

Így látható, hogy a számtani sorozatok épp azok a sorozatok, melyek az n független változójuk „lineáris” függvényei, azaz az

f(n) = mn+c

alakú sorozatok, ahol m,c olyan valós állandók, melyekre m=d és c=a1-d.

Példák

első tag különbség a sorozat pár tagja n-edik tag
(n∈N)
0 1 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, … n-1
0 2 0, 2, 4, 6, 8, 10, 12, … 2n-2
1 0 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, … 1
1 2 1, 3, 5, 7, 9, 11, 13, … 2n-1
101 -20 101, 81, 61, 41, 21, 1, -19, … -20n+121
-3,11 -1,01 -3,11; -4,12; -5,13; -6,14; -7,15; -8,16; -1,01n-2,1

Összegzési képlet

A sorozat első n tagjának összegét ( S n {\displaystyle S_{n}} ) a következő ötlettel határozhatjuk meg. Vegyük az első n tagot, ezek: a 1 , a 2 , … , a n {\displaystyle a_{1},a_{2},\ldots ,a_{n}} . Majd írjuk fel ez alá a tagokat fordított sorrendben, vagyis a n , a n − 1 , … , a 1 {\displaystyle a_{n},a_{n-1},\ldots ,a_{1}} . Számítsuk ki ennek a 2n darab számnak az összegét. Ez egyrészt a keresett összeg kétszerese, hiszen az első n tag mindegyike pontosan kétszer szerepel. Másrészt pedig az egymás alatt lévő számok összege éppen a 1 + a n {\displaystyle a_{1}+a_{n}} . Összesen n egymás alatti pár van, vagyis az összeg éppen ( a 1 + a n ) ⋅ n {\displaystyle (a_{1}+a_{n})\cdot n} . De ez az általunk keresett összeg (azaz az első n tag összegének) kétszerese, vagyis a helyes eredmény:

S n = ( a 1 + a n ) ⋅ n 2 {\displaystyle S_{n}={\frac {(a_{1}+a_{n})\cdot n}{2}}}

Ha még azt is felhasználjuk, hogy a n = a 1 + ( n − 1 ) d {\displaystyle a_{n}=a_{1}+(n-1)d} , akkor

S n = ⋅ n 2 {\displaystyle S_{n}={\frac {\cdot n}{2}}}

Ezt a képletet alkalmazva a 1 = 1 {\displaystyle a_{1}=1} és d = 1 {\displaystyle d=1} esetben, megkapjuk az első n pozitív egész szám összegét, azaz ( n + 1 ) ⋅ n 2 {\displaystyle {\frac {(n+1)\cdot n}{2}}} -t vagy leegyszerűsítve: n 2 + n 2 {\displaystyle {\frac {n^{2}+n}{2}}} .

E formula lényegében már a XIII. szd.-ban is ismert volt, persze leírása a kornak megfelelően történt; az összegzés módszerét mindenesetre már Leonardo Pisano (ismertebb nevén Fibonacci) is leírta (Liber Abaci; 1202, ch. II.12).

További tulajdonságok

Növekedési tulajdonságok

Algebrai tulajdonságok

Két számtani sorozat összege és különbsége, továbbá egy számtani sorozat valós számszorosa (mint például ellentettje) is számtani sorozat.

Konkrétan: ha (an) = (a1+(n-1)d) és (bn) = (b1+(n-1)e) két számtani sorozat, akkor ((a+b)n) = (an+bn) = (a1+b1+(n-1)(d+e)) is számtani sorozat, melynek első tagja a tagok első tagjai összege, azaz a1+b1, és differenciája a tagok differenciáinak összege, azaz d+e.

Továbbá ha α∈R tetszőleges valós szám, akkor α(an) = (αa1+(n-1)αd) is számtani sorozat, első tagja az eredeti sorozat első tagjának α-szorosa; differenciája az eredeti sorozat differenciájának α-szorosa.

Ez azt jelenti, hogy a valós számtani sorozatok az összeadással kommutatív csoportot, illetve a számmal szorzást is hozzávéve, lineáris teret alkotnak. Tetszőleges csoport elemeiből képezett számtani sorozatokra szintén elmondható ugyanez.

Igazolható, hogy két számtani sorozat szorzata mindig másodrendű számtani sorozat, hiszen ha an = a1+(n-1)d és bn = b1+(n-1)e, akkor anbn = · = a1b1+(n-1)(d+e)+(n-1)2de = (a1b1-d-e+de)+(d+e-2de)n+(de)n2, ami megfelel a Másodrendű számtani sorozatok analitikus szemléletű definíciójának, továbbá az ott írtak alapján az is megállapítható, hogy a szorzatsorozat 1). különbségsorozatának differenciája a tényezők differenciáinak kétszeres szorzata; (D=2de) 2). különbségsorozatának első tagja az 1-gyel megnövelt differenciák szorzatánál eggyel kisebb (Δ(ab)1 = (d+1)(e+1)-1); és . ami a tagonkénti szorzat definíciójának is egyszerű következménye – első tagja természetesen a tényezők első tagjainak szorzata.

Lineáris algebrai leírás

A valós számsorozatok RN+ halmaza a tagonkénti összeadás és a tagonkénti ellentettképzés műveletével kommutatív csoportot alkotnak (nullelem a (0) := (0,0,0,…) sorozat). A számmal való tagonkénti szorzás műveletét hozzávéve pedig vektorteret kapunk. Ezen a téren belül a számtani sorozatok családja egy kétdimenziós generált alteret alkot, amelyet az {1} := {1,1,1,…} és az (n) := (1,2,3,4,5…) sorozatok generálnak, hiszen tetszőleges n>-0-ra (an) = (a1+(n-1)d) = (a1+nd-d) = a1·(1)+d(n)+(-d)·(1). Tehát a számtani sorozatok halmaza a <(0), (n)> generált altér.

Magasabb rendű számtani sorozatok

A sorképzéssel számtani sorozatokra visszavezethető sorozatok magasabb rendű számtani sorozatok. Ezek éppen azok a sorozatok, melyek képzését polinommal lehet leírni. A polinom foka megegyezik a sorozat rendjével.

Összegzési képletek

Képletek a különböző rendű számtani sorozatok részletösszegeinek kiszámítására:

Általános esetre alkalmazható a Faulhaber-képlet:

ahol B k {\displaystyle B_{k}} a k {\displaystyle k} -adik Bernoulli-szám.

Tetraéderszámok

A tetraéderszámok harmadrendű számtani sorozatot alkotnak. A sorozat elemei ezzel a harmadfokú polinommal számíthatók ki:

a n = n ( n + 1 ) ( n + 2 ) 6 = 1 6 ⋅ ( n 3 + 3 n 2 + 2 n ) {\displaystyle a_{n}={\frac {n(n+1)(n+2)}{6}}={\frac {1}{6}}\cdot (n^{3}+3n^{2}+2n)} .

A polinomban szereplő legnagyobb hatvány a polinom foka.

Sorozat: 0   {\displaystyle 0\ } 1   {\displaystyle 1\ } 4   {\displaystyle 4\ } 10   {\displaystyle 10\ } 20   {\displaystyle 20\ } 35   {\displaystyle 35\ } 56   {\displaystyle 56\ } 84   {\displaystyle 84\ } . . .   {\displaystyle ...\ }
1. különbségsorozat: 1   {\displaystyle 1\ } 3   {\displaystyle 3\ } 6   {\displaystyle 6\ } 10   {\displaystyle 10\ } 15   {\displaystyle 15\ } 21   {\displaystyle 21\ } 28   {\displaystyle 28\ } . . .   {\displaystyle ...\ }
2. különbségsorozat: 2   {\displaystyle 2\ } 3   {\displaystyle 3\ } 4   {\displaystyle 4\ } 5   {\displaystyle 5\ } 6   {\displaystyle 6\ } 7   {\displaystyle 7\ } . . .   {\displaystyle ...\ }
3. különbségsorozat: 1   {\displaystyle 1\ } 1   {\displaystyle 1\ } 1   {\displaystyle 1\ } 1   {\displaystyle 1\ } 1   {\displaystyle 1\ } . . .   {\displaystyle ...\ }

A táblázatból láthatóan a tetraéderszámok első különbségsorozata a háromszögszámok másodrendű számtani sorozata.

Négyzetszámok

A négyzetszámok sorozata másodrendű számtani sorozat:

Sorozat: 0   {\displaystyle 0\ } 1   {\displaystyle 1\ } 4   {\displaystyle 4\ } 9   {\displaystyle 9\ } 16   {\displaystyle 16\ } 25   {\displaystyle 25\ } 36   {\displaystyle 36\ } 49   {\displaystyle 49\ } . . .   {\displaystyle ...\ }
1. különbségsorozat: 1   {\displaystyle 1\ } 3   {\displaystyle 3\ } 5   {\displaystyle 5\ } 7   {\displaystyle 7\ } 9   {\displaystyle 9\ } 11   {\displaystyle 11\ } 13   {\displaystyle 13\ } . . .   {\displaystyle ...\ }
2. különbségsorozat: 2   {\displaystyle 2\ } 2   {\displaystyle 2\ } 2   {\displaystyle 2\ } 2   {\displaystyle 2\ } 2   {\displaystyle 2\ } 2   {\displaystyle 2\ } . . .   {\displaystyle ...\ }

Többdimenziós számtani sorozatok

A számtani sorozatok magasabb dimenziós általánosítása

a + m b + n c {\displaystyle a+mb+nc}

ahol m = 1 , 2 , ⋯ , k {\displaystyle m=1,2,\cdots ,k} , n = 1 , 2 , ⋯ , l {\displaystyle n=1,2,\cdots ,l} , a , b , c ∈ N {\displaystyle a,b,c\in \mathbb {N} } konstansok. A definíció hasonló más dimenziókban.

Érdekességek

43142746595714191 + 23681770·23#·n, ahol 0 ≤ n ≤ 25 és 23# = 223092870 (Benoãt Perichon, 2010. április 12.); 3486107472997423 + 1666981·23#·n, ahol 0 ≤ n ≤ 25 (James Fry, 2012. március 16.), 136926916457315893 + 44121555·23#·n, ahol 0 ≤ n ≤ 25 (Bryan Little, 2014. február 23.) 161004359399459161 + 47715109·23#·n, ahol 0 ≤ n ≤ 25 (Bryan Little, 2015. február 19.).

Egy tízelemű hasonló sorozat:

199   {\displaystyle 199\ } 409   {\displaystyle 409\ } 619   {\displaystyle 619\ } 829   {\displaystyle 829\ } 1039   {\displaystyle 1039\ } 1249   {\displaystyle 1249\ } 1459   {\displaystyle 1459\ } 1669   {\displaystyle 1669\ } 1879   {\displaystyle 1879\ } 2089   {\displaystyle 2089\ }
210   {\displaystyle 210\ } 210   {\displaystyle 210\ } 210   {\displaystyle 210\ } 210   {\displaystyle 210\ } 210   {\displaystyle 210\ } 210   {\displaystyle 210\ } 210   {\displaystyle 210\ } 210   {\displaystyle 210\ } 210   {\displaystyle 210\ }

Jegyzetek

  1. A számtani sorozat és lineáris függvények kapcsolatának részleteit ld. itt.
  2. Ben Green; Terence Tao: The primes contain arbitrarily long arithmetic progressions. In: Annals of Mathematics 167 (2008), Nr. 2, S. 481–547. Vgl. David Conlon; Jacob Fox; Yufei Zhao: The Green–Tao theorem. An exposition. In: EMS Surveys in Mathematical Sciences 1 (2014), Nr. 2, S. 249–282.
  3. Weisstein, Eric W.: Prime Arithmetic Progression (angol nyelven). Wolfram MathWorld

Fordítás

Ez a szócikk részben vagy egészben az Arithmetische Folge című német Wikipédia-szócikk fordításán alapul. Az eredeti cikk szerkesztőit annak laptörténete sorolja fel. Ez a jelzés csupán a megfogalmazás eredetét és a szerzői jogokat jelzi, nem szolgál a cikkben szereplő információk forrásmegjelöléseként.

Irodalom

További információk

Kapcsolódó szócikkek