AMKbook.Net Задачи должны иметь решение

Нахождение общего члена ряда по заданным первым членам. Третья часть.

Задача №1

Условие

Найти общий член ряда \(\displaystyle{6+\frac{12}{5}+\frac{24}{25}+\frac{48}{125}+\ldots}\).

Решение

Нам известны первые четыре члена ряда. Запишем их. Чтобы в дальнейшем лучше была видна закономерность, я представлю первый член в виде \(\displaystyle{\frac{6}{1}}\):

\[u_1=\frac{6}{1};\; u_2=\frac{12}{5}; \; u_3=\frac{24}{25};\; u_4=\frac{48}{125}.\]

Числа 6, 12, 24, 48 есть первые четыре элемента геометрической прогрессии с первым членом \(\displaystyle{a_1=6}\) и знаменателем \(\displaystyle{q=2}\). Общий член этой прогрессии:

\[ a_n =6\cdot {2}^{n-1} \]

Запишем эту формулу в несколько ином виде, – сугубо для некоторого упрощения внешнего вида:

\[ a_n =3\cdot {2}\cdot 2^{n-1} =3\cdot 2^n \]

Числа 1, 5, 25, 125 есть первые четыре элемента геометрической прогрессии с первым членом \(\displaystyle{b_1=1}\) и знаменателем \(\displaystyle{q=5}\). Общий член этой прогрессии:

\[ b_n =1\cdot{5}^{n-1}=5^{n-1} \]

Итак, общий член ряда имеет вид

\[ u_n=\frac{3\cdot 2^n}{5^{n-1}} \]

Проверка осуществляется так же, как и в задачах предыдущих частей.

Ответ:

\(\displaystyle{\frac{3\cdot 2^n}{5^{n-1}}}\).

Задача №2

Условие

Найти общий член ряда \(\displaystyle{\frac{2}{4}+\frac{3}{6}+\frac{7}{4}+\frac{25}{6}+\frac{121}{4}+\frac{721}{6}+\ldots}\).

Решение

Нам известны первые шесть членов ряда. Запишем их:

\[u_1=\frac{2}{4};\; u_2=\frac{3}{6};\; u_3=\frac{7}{4};\; u_4=\frac{25}{6};\; u_5=\frac{121}{4};\; u_6=\frac{721}{6}.\]

В числителях имеем последовательность чисел 2, 3, 7, 25, 121, 721. Эта последовательность практически совпадает с последовательностью факториалов натуральных чисел, только числа в заданной последовательности на единицу больше. Поэтому общий член последовательности элементов числителей таков:

\[ a_n=n!+1 \]

В знаменателях повторяются числа 4, 6, 4, 6, 4, 6 и т.д. Как задать эти числа общей формулой? Данные числа представляют собой число 5, к которому прибавляют то 1, то -1:

\[ b_n=5+(-1)^n \]

Итак, общий член ряда имеет вид:

\[ u_n =\frac{n!+1}{5+(-1)^n} \]

Проверка осуществляется так же, как и в задачах предыдущих частей.

Ответ:

\(\displaystyle{\frac{n!+1}{5+(-1)^n}}\).

Задача №3

Условие

Найти общий член ряда \(\displaystyle{\frac{1}{2}+\frac{3}{6}+\frac{5}{12}+\frac{7}{20}+\frac{9}{30}+\ldots}\).

Решение

Нам известны первые пять членов ряда. Запишем их:

\[u_1=\frac{1}{2};\; u_2=\frac{3}{6};\; u_3=\frac{5}{12};\; u_4=\frac{7}{20};\; u_5=\frac{9}{30}.\]

В числителях имеем последовательность чисел 1, 3, 5, 7, 9. Эта последовательность представляет собой первые пять членов арифметической прогрессии, первый член которой равен \(\displaystyle{a_1=1}\), а разность \(\displaystyle{d=2}\). Общий член этой прогрессии:

\[ a_n =1+2\cdot(n-1) =2n-1 \]

В знаменателях имеем последовательность, первые пять членов которой таковы: \(\displaystyle{b_1=2}\), \(\displaystyle{b_2=6}\), \(\displaystyle{b_3=12}\), \(\displaystyle{b_4=20}\), \(\displaystyle{b_5=30}\). Особой закономерности тут не прослеживается. В этой ситуации можно попробовать разложить числа на множители:

\[ \begin{aligned} & b_1=1\cdot {2};\\ & b_2=2\cdot {3};\\ & b_3=3\cdot {4}; \\ & b_4=4\cdot {5};\\ & b_5=5\cdot {6}. \end{aligned} \]

Полагаю, закономерность теперь видна: \(\displaystyle{b_n=n\cdot(n+1)=n^2+n}\). Запишем общий член ряда:

\[ u_n=\frac{2n-1}{n^2+n} \]

Проверка осуществляется так же, как и в задачах предыдущих частей.

Ответ:

\(\displaystyle{\frac{2n-1}{n^2+n}}\).

Задача №4

Условие

Найти общий член ряда \(\displaystyle{5+7+12+14+19+21+\ldots}\).

Решение

Нам известны первые шесть членов ряда. Запишем их:

\[u_1=5;\; u_2=7;\; u_3=12;\; u_4=14;\; u_5=19; \; u_6=21.\]

В этой последовательности можно выделить члены с чётными и нечётными номерами. Члены с нечётными номерами таковы:

\[u_1=5;\; u_3=12;\; u_5=19.\]

Числа 5, 12, 19 образуют арифметическую прогрессию, первый член которой равен \(\displaystyle{a_1=5}\), а разность \(\displaystyle{d=7}\). Когда станем применять формулу (1), то для нумерации членов используем букву \(\displaystyle{k}\), а не \(\displaystyle{n}\). Дело в том, что в предыдущих примерах мы не выделяли чётные или нечётные номера, поэтому там новая буква была не нужна. Здесь же, дабы избежать путаницы, введём новую букву:

\[ a_k =5+7(k-1) =7k-2 \]

Итак, мы можем записать следующее:

\[ u_1=a_1;\; u_3=a_2;\; u_5=a_3. \]

Как связаны между собой номера членов \(\displaystyle{u_n}\) и \(\displaystyle{a_k}\)? Они связаны простым соотношением: \(\displaystyle{n=2k-1}\). Например, если мы хотим записать пятый член ряда, у которого \(\displaystyle{n=5}\), мы должны приравнять его к члену прогрессии, номер которого \(\displaystyle{5=2k-1}\), \(\displaystyle{k=3}\). Иными словами, \(\displaystyle{u_5=a_3}\).

Члены ряда с чётными номерами, т.е. \(\displaystyle{u_2=7}\), \(\displaystyle{u_4=14}\), \(\displaystyle{u_6=21}\), образуют арифметическую прогрессию, первый член которой равен \(\displaystyle{b_1=7}\), знаменатель \(\displaystyle{d=7}\). Общий член этой прогрессии:

\[ b_k =7+7(k-1) =7k \]

Как связаны между собой номера членов \(\displaystyle{u_n}\) и \(\displaystyle{b_k}\)? Они связаны соотношением: \(\displaystyle{n=2k}\). Например, если мы хотим записать четвёртый член ряда, у которого \(\displaystyle{n=4}\), мы должны приравнять его к члену прогрессии, номер которого \(\displaystyle{4=2k}\), \(\displaystyle{k=2}\). Иными словами, \(\displaystyle{u_4=b_2}\).

Теперь мы можем записать общее соотношение:

\[ u_n=\left\{\begin{aligned} & 7k-2,\; n=2k-1;\\ & 7k,\; n=2k. \end{aligned}\right. \]

Запишем найденное выражение в иной форме. Если \(\displaystyle{n=2k-1}\), то \(\displaystyle{u_n=7k-2}\). Из выражения \(\displaystyle{n=2k-1}\) имеем: \(\displaystyle{k=\frac{n+1}{2}}\). Тогда

\[ u_n =7\cdot\frac{n+1}{2}-2 =\frac{7n+3}{2} \]

Если \(\displaystyle{n=2k}\), то \(\displaystyle{k=\frac{n}{2}}\) и \(\displaystyle{u_n=7k=\frac{7n}{2}}\). Итак, полученное выше выражение общего члена можно записать так:

\[ u_n=\left\{\begin{aligned} & \frac{7n+3}{2},\; n=2k-1;\\ & \frac{7n}{2},\; n=2k. \end{aligned}\right. \]

В принципе, это уже есть готовый ответ. Однако запишем выражение для общего члена в одну строку. Нам нужно придумать некий "переключатель", который бы для членов с чётными номерами позволил выражению общего члена равняться \(\displaystyle{\frac{7n}{2}}\), а для членов с нечётными номерами выражение общего члена должно быть равным \(\displaystyle{\frac{7n+3}{2}}\). В качестве подобных "переключателей" послужат выражения \(\displaystyle{\frac{1+(-1)^{n+1}}{2}}\) и \(\displaystyle{\frac{1+(-1)^n}{2}}\):

\[ u_n =\frac{1+(-1)^{n+1}}{2}\cdot\frac{7n+3}{2}+\frac{1+(-1)^n}{2}\cdot\frac{7n}{2} \]

Как работают эти "переключатели"? Если \(\displaystyle{n}\) – чётное число, то \(\displaystyle{\frac{1+(-1)^{n+1}}{2}=0}\), а \(\displaystyle{\frac{1+(-1)^n}{2}=1}\). В этом случае \(\displaystyle{u_n=\frac{7n}{2}}\). Если же число \(\displaystyle{n}\) нечётное, то \(\displaystyle{\frac{1+(-1)^{n+1}}{2}=1}\), а \(\displaystyle{\frac{1+(-1)^n}{2}=0}\), поэтому \(\displaystyle{u_n=\frac{7n+3}{2}}\). Упростим полученное выражение:

\[ u_n=\frac{1+(-1)^{n+1}}{2}\cdot\frac{7n+3}{2}+\frac{1+(-1)^n}{2}\cdot\frac{7n}{2}=\\ =\frac{1}{4}\left(7n+3+(-1)^{n+1}\cdot 7n+3\cdot (-1)^{n+1}+7n+7n\cdot (-1)^n\right)=\\ =\frac{1}{4}\left(14n+3-(-1)^{n}\cdot 7n+3\cdot (-1)^{n+1}+7n\cdot (-1)^n\right)=\\ =\frac{1}{4}\left(14n+3+3\cdot (-1)^{n+1}\right)=\frac{14n+3+3\cdot (-1)^{n+1}}{4}. \]

Итак, \(\displaystyle{u_n=\frac{14n+3+3\cdot (-1)^{n+1}}{4}}\). Проверка осуществляется так же, как и в задачах предыдущих частей.

Ответ:

\(\displaystyle{\frac{14n+3+3\cdot (-1)^{n+1}}{4}}\).