На ДВИ задачи на прогрессии часто маскируются под текстовые задачи, уравнения или комбинации свойств чисел с алгеброй. Практически любая задача на эту тему сводится к составлению и решению системы уравнений относительно первого члена и шага (или знаменателя) прогрессии.
Арифметическая прогрессия
Последовательность, в которой каждый следующий член получается из предыдущего прибавлением одного и того же числа d (разности прогрессии).
Геометрическая прогрессия
Последовательность отличных от нуля чисел, в которой каждый следующий член получается из предыдущего умножением на одно и то же число q=0 (знаменатель прогрессии). Требование неравенства нулю необходимо, чтобы прогрессия задавалась однозначно.
Бесконечно убывающая геометрическая прогрессия
Если знаменатель удовлетворяет условию ∣q∣<1, то с ростом n члены bn=b1qn−1 стремятся к нулю, а частичные суммы Sn стремятся к конечному пределу. Этот предел называют суммой бесконечно убывающей геометрической прогрессии.
Эта формула — одна из стандартных тем письменного ДВИ. Чаще всего её применяют:
для подсчёта суммы бесконечного ряда геометрического вида;
для перевода периодической десятичной дроби в обыкновенную (период образует бесконечно убывающую ГП);
внутри текстовых задач, где процесс повторяется неограниченно (отскоки мяча, бесконечные вложения и т.п.).
Универсальный алгоритм решения
В задачах ДВИ редко просят просто подставить числа в формулу. Обычно требуется найти неизвестные параметры через решение нелинейных систем.
Примеры решения задач
Разберём задачи, где простое применение формул сочетается с алгебраической строгостью и теорией чисел.
Пример 1. Системы в арифметической прогрессии
В арифметической прогрессии сумма первых пяти членов равна 45, а сумма следующих пяти членов равна 120. Найдите сумму первых 15 членов этой прогрессии.
Переводим суммы в уравнения
Запишем условия через a1 и d. Сумма первых пяти членов:
S5=22a1+4d⋅5=45⟹(a1+2d)⋅5=45⟹a1+2d=9.
Сумма следующих пяти членов — это разность суммы первых десяти и суммы первых пяти: S10−S5=120. Значит, S10=120+45=165.
S10=22a1+9d⋅10=165⟹2a1+9d=33.
Решаем систему
Составим систему:
{a1+2d=92a1+9d=33⟹{a1=9−2d2(9−2d)+9d=33
Решаем второе уравнение: 18−4d+9d=33⟹5d=15⟹d=3.
Тогда a1=9−2⋅3=3.
Считаем S15
Нам нужно найти S15:
S15=22⋅3+14⋅3⋅15=26+42⋅15=24⋅15=360.
Ответ:360.
Пример 2. Отношения в геометрической прогрессии
Возрастающая геометрическая прогрессия состоит из положительных чисел. Сумма первого и третьего членов равна второму, умноженному на 310. Найдите отношение суммы с 7-го по 12-й член включительно к сумме первых шести членов.
Составляем уравнение на q
По условию b1+b3=310b2. Распишем через b1 и q:
b1+b1q2=310b1q.
Так как прогрессия состоит из положительных чисел, b1>0 и q>0. Разделим обе части на b1 и умножим на 3:
3+3q2=10q⟹3q2−10q+3=0.
Отбираем корень
Корни квадратного уравнения: q=3 и q=31.
Поскольку прогрессия возрастающая и b1>0, знаменатель q должен быть больше 1. Значит, подходит только q=3.
Считаем отношение сумм
Теперь запишем искомое отношение. Сумма с 7-го по 12-й член:
Здесь работает главный приём для ГП — деление одного уравнения на другое, чтобы избавиться от b1. Но прежде заметим тождество (раскладывается как разность квадратов 1+q2+q4=(1+q+q2)(1−q+q2)):
1+q2+q4=(1+q+q2)(1−q+q2).
Тогда второе уравнение запишется так:
b12(1+q+q2)(1−q+q2)=189.
Делим второе уравнение на первое (делитель равен 21=0, деление корректно):
Вычтем второе из первого: b1⋅2q=12⟹b1q=6. Сложим: b1(2+2q2)=30⟹b1(1+q2)=15.
Из b1q=6 выразим b1=q6 и подставим:
q6(1+q2)=15⟹6+6q2=15q⟹6q2−15q+6=0⟹2q2−5q+2=0.
Находим числа и проверяем
Корни: q=2 и q=21. Оба знаменателя дают один и тот же набор чисел, только в разном порядке:
q=2: b1=3, числа 3,6,12;
q=21: b1=12, числа 12,6,3.
Проверка:3+6+12=21, 9+36+144=189. Верно.
Ответ: числа 3,6,12 (в том или обратном порядке).
Пример 4. Бесконечно убывающая ГП
Найдите сумму бесконечной геометрической прогрессии 6+2+32+92+…, а затем переведите периодическую дробь 0,(36) в обыкновенную как сумму бесконечно убывающей ГП.
Часть 1. Сумма ряда
Здесь b1=6, знаменатель q=62=31. Так как ∣q∣=31<1, прогрессия бесконечно убывающая, и сумма существует:
S=1−qb1=1−316=326=6⋅23=9.
Часть 2. Периодическая дробь
Периодическую дробь распишем как бесконечную сумму:
0,(36)=0,363636…=10036+100236+100336+…
Это бесконечно убывающая ГП с b1=10036 и q=1001 (так как ∣q∣<1):
Пример 5. Смешанный тип: арифметическая ↔ геометрическая
Три числа образуют арифметическую прогрессию, причём её средний член равен 6. Если к третьему числу прибавить 8, оставив первые два без изменения, то полученные три числа образуют геометрическую прогрессию. Найдите исходные числа.
Симметричное обозначение
Так как средний член арифметической прогрессии равен 6, удобно обозначить три числа симметрично относительно него:
6−d,6,6+d.
Уравнение на d
Прибавляем 8 к третьему числу. Новая тройка:
6−d,6,14+d.
Она образует геометрическую прогрессию. По характеристическому свойству ГП квадрат среднего члена равен произведению крайних:
62=(6−d)(14+d).
Раскрываем:
36=84+6d−14d−d2=84−8d−d2.
d2+8d−48=0.
Корни: d=2−8±64+192=2−8±16, то есть d=4 или d=−12.
Отбор корней (письменно)
Оба значения дают допустимые прогрессии — проверим:
d=4: исходная АП 2,6,10; после прибавления 8 — числа 2,6,18, и это ГП со знаменателем q=3 (члены ненулевые). Подходит.
d=−12: исходная АП 18,6,−6; после прибавления 8 — числа 18,6,2, и это ГП со знаменателем q=31. Подходит.
Оба корня дают корректные прогрессии (нигде нет нулевых членов и q=0), поэтому оба ответа годятся.
Ответ:\ 2,\ 6,\ 10\ или 18,6,−6.
Пример 6. Текстовая задача: вклад как геометрическая прогрессия
В начале каждого года вкладчик кладёт на счёт 1000 рублей. Банк в конце каждого года начисляет 10% на всю сумму, лежащую на счёте. Какая сумма будет на счёте сразу после третьего начисления процентов?
Следим за каждым взносом
Каждое начисление умножает текущую сумму на 1,1. Проследим за каждым из трёх взносов отдельно — к моменту третьего начисления он успеет «отработать» разное число лет:
первый взнос пролежал 3 года: 1000⋅1,13;
второй взнос пролежал 2 года: 1000⋅1,12;
третий взнос пролежал 1 год: 1000⋅1,11.
Сумма как геометрическая прогрессия
Итоговая сумма — это сумма трёх слагаемых, образующих геометрическую прогрессию: первый член b1=1000⋅1,1=1100, знаменатель q=1,1, число членов n=3:
Дана геометрическая прогрессия с первым членом b1=5 и знаменателем q=x−2, где x — параметр. Известно, что сумма первых трёх членов равна 15. Найдите все значения x.
Почему нужны два случая
Знаменатель q=x−2 — переменная величина. Прежде чем применять формулу суммы с дробью, обязательно отдельно рассмотрим случай q=1 (иначе знаменатель формулы обращается в ноль).
Случай 1: q=1
Тогда x=3, все три члена равны b1=5, и сумма равна 3⋅5=15. Условие выполнено — значит, x=3 подходит.
Случай 2: q=1
Применяем формулу суммы:
S3=b1⋅q−1q3−1=15.
Так как q−1q3−1=q2+q+1 (при q=1), получаем:
5(q2+q+1)=15⟹q2+q+1=3⟹q2+q−2=0.
Корни: q=1 и q=−2. Корень q=1 в этом случае не рассматриваем (он уже учтён в Случае 1 и здесь не входит в область q=1). Остаётся q=−2, тогда x−2=−2, то есть x=0.
Проверка и ответ
Проверка x=0:q=−2, члены 5,−10,20, сумма 5−10+20=15. Верно.
Ответ:x=0 или x=3.
В ДВИ очень популярны задачи, где алгебра прогрессий пересекается со свойствами целых чисел (делимость, оценки). Здесь требуется максимальная строгость рассуждений.
Пример 8. Прогрессии и теория чисел
Натуральные числа a1,a2,…,an образуют строго возрастающую арифметическую прогрессию. Найдите все возможные значения n, если известно, что n>1, n нечётно, а сумма членов этой прогрессии равна 425.
Сумма через центральный член
Запишем формулу суммы n членов:
Sn=2a1+an⋅n=425.
Так как n — нечётное число, выражение 2n+1 является целым, то есть в прогрессии есть ровно один центральный член с номером k=2n+1.
По свойству арифметической прогрессии a1+an=2ak. Подставим это в формулу суммы:
Sn=22ak⋅n=ak⋅n=425.
Делители числа 425
Поскольку все члены прогрессии натуральные, ak∈N. Значит, n должно быть делителем числа 425. Разложим 425 на простые множители: 425=25⋅17=52⋅17.
Делители 425: 1,5,17,25,85,425.
По условию n>1, значит, возможные кандидаты для n: 5,17,25,85,425.
Оценка для центрального члена
Проверим каждого кандидата. По условию прогрессия строго возрастает (d⩾1, так как числа натуральные) и a1⩾1.
Выразим центральный член ak через a1 и d:
ak=a1+(k−1)d=a1+(2n+1−1)d=a1+2n−1d.
Так как a1⩾1 и d⩾1, получаем оценку для ak:
ak⩾1+2n−1⋅1=2n+1.
С другой стороны, из уравнения ak⋅n=425 следует, что ak=n425. Получаем неравенство:
n425⩾2n+1⟹n(n+1)⩽850.
Перебор кандидатов
Проверяем кандидатов:
Если n=85: 85⋅86=7310>850. Не подходит (оценка нарушена, ak=5, но для n=85 центральный член не может быть меньше 285+1=43).
Если n=425: аналогично не подходит.
Если n=25: 25⋅26=650⩽850. Проверим реализуемость: нужен центральный член a13=425/25=17. По формуле a13=a1+12d=17. В натуральных числах это возможно, например: d=1,a1=5. Подходит.
Если n=17: a9=425/17=25. a1+8d=25. Возможно (например, d=1,a1=17). Подходит.
Если n=5: a3=425/5=85. a1+2d=85. Возможно (например, d=1,a1=83). Подходит.
Ответ:5,17,25.
Частые ошибки
Что запомнить
Любую задачу можно решить «в лоб», расписав все члены через a1 и d (или b1 и q).
В геометрической прогрессии деление уравнений системы друг на друга — главный метод избавления от b1 (см. Пример 3); перед делением проверяй, что делитель =0.
Для бесконечно убывающей ГП (∣q∣<1) сумма равна 1−qb1 — этим переводят периодические дроби и считают бесконечные суммы (Пример 4).
Смешанные задачи (числа образуют то АП, то ГП) решаются совместным применением обоих характеристических свойств; тройку чисел в АП удобно записывать симметрично: «средний ±d» (Пример 5).
Сложные проценты и регулярные вклады — это замаскированная геометрическая прогрессия (Пример 6).
Характеристическое свойство ГП даёт bk=±… — не теряй знак корня и отрицательный q.
В задачах, где фигурирует «сумма с k-го по m-й член», используй разность сумм: Sm−Sk−1 (важно: именно Sk−1, а не Sk).
Если прогрессия состоит из целых/натуральных чисел, применяй неравенства для оценки её членов (как в Примере 8). Суммы натуральных/чётных/нечётных — частные случаи АП.
Оформление под рубрику ДВИ
На письменном ДВИ оценивают не финальное число, а полноту и строгость рассуждений. За один и тот же ответ можно получить полный балл или «минус» — разница именно в оформлении.
Стратегия на ДВИ
Проверь себя
Чему равна сумма бесконечно убывающей геометрической прогрессии с b1=6 и q=31?
Из b22=b1⋅b3 при b1=2, b3=18 следует, что b2 равно:
Сколько членов в сумме 1+q+q2+…+qk?
Знаменатель ГП задан как q=x−2, и нужна сумма первых трёх членов. Какой случай обязательно разобрать отдельно перед применением формулы Sn=b1q−1qn−1?