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).
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}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.
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,
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 definícióAz 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+calakú sorozatok, ahol m,c olyan valós állandók, melyekre m=d és c=a1-d.
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 |
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).
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.
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.
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.
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.
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.
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 ...\ } |
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.
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\ } |
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.