5.3. Обчислення суми членів числової послідовності

Числова послідовність – це однозначне зображення множини натуральних чисел на множині дійсних чмсел. Це функція натурального аргумента, що являє собою загальний член послідовності. Загальний член послідовності (ЗЧП) – це формула, за якою за номером члена послідовності можна знаходити сам член послідовності.

З математики нам відомі арифметична і геометрична прогресії.

Арифметична прогресія – це послідовність чисел, кожне з яких, починаючи з другого, обчислюється із попереднього додаванням до нього постійного (для всіх членів послідовності) числа, названого різницею прогресії. Різницю прогресії позначають буквою d.

Формули будь-якого члена арифметичної прогресії і суми перших її n членів:

a_n=a₁+nd, (1)

Геометрична прогресія – це послідовність чисел, кожне з яких, починаючи з другого, дорівнює попередньому, помноженому на деяке постійне для даної послідовності число, що називають знаменником прогресії і позначають буквою q.

Формули будь-якого члена геометричної прогресії і суми перших n членів:

(2)

Формули (1) і (2), звичайно ж, можна використовувати у роботі з цими прогресіями.

Ми розглянемо інший підхід до обчислення суми членів числової послідовності.

Наведемо кілька прийомів знаходження загального члена послідовності:

1.Послідовність є арифметичною прогресією. У цьому випадку знаходимо різницю прогресії, множимо її на номер поточного члена послідовності (і) і додаємо або віднімаємо таке число, щоб одержати перший член послідовності. Наприклад:

1, 5, 9, 13, … - загальний член дорівнює:

2, 8, 14, 20, … - загальний член дорівнює:

2.Послідовність є геометричною прогресією. У цьому випадку знаходимо знаменник прогресії (q) і записуємо формулу у вигляді: qⁱ. Наприклад: 2, 4, 8, 16, … - загальний член дорівнює: 2^і.

3.Послідовність не є арифметичною або геометричною прогресією, але різниці між сусідніми членами утворюють геометричну прогресію. У цьому випадку записуємо формулу загального члена для послідовності, отриманої з різниць, а потім для одержання остаточної формули додаємо або віднімаємо таке число, щоб одержати перший член вихідної послідовності. Наприклад: 1, 3, 7, 15 … Послідовність, складена з різниць сусідніх членів, має вигляд: 2, 4, 8, 16, … Її загальний член 2^і, а формула загального члена вихідної послідовності: 2^і – 1.

4.Елементи послідовності, що знаходяться на непарних місцях, утворюють арифметичну прогресію, аналогічно елементи, що містяться на парних місцях, теж утворюють арифметичну прогресію. Наприклад: 4+1+5+2+6+3+7+4+8+… Формулу загального члена послідовності будемо шукати в такий спосіб:

Спочатку знайдемо формулу загального члена для елементів, що стоять на непарних місцях у послідовності (для непарних індексів): 4+5+6+7+8+…

Для цього складемо систему рівнянь:

Множники 1 і 3 – порядкові номери членів послідовності, а х та у – деякі числа. Розв’язуючи систему, знаходимо, що а

Отже, формула загального члена для елементів, що містяться на непарних місцях у послідовності, має вигляд:

Міркуючи аналогічно, знайдемо формулу загального члена для елементів послідовності, що знаходяться на парних місцях у послідовності: 1+2+3+4+5+…

Знаходимо: Формула загального члена -

Отримані формули повинні працювати по черзі. Цього легко досягти за допомогою виразу:

Перетворивши його, одержимо остаточну формулу загального члена числової послідовності:

Алгоритми для обчислення суми членів числової послідовності мають той самий вигляд:

1.Уведення кількості членів послідовності.

2.Обнуління комірки для підсумування або занесення в неї члена послідовності, що не може бути отриманий із загального члена.

3.Організація циклу, всередині якого буде команда присвоювання, що має структуру:

s:=s+зчп,

де S – комірка для підсумовування.

4.Виведення результату.

Наведемо кілька прикладів з обчислення суми членів числової послідовності.

Приклад 1. Обчислити суму N членів послідовності:

Алгоритм має вигляд:

АЛГ Сума членів послідовності (ціл N, дійсн S)

АРГ N

РЕЗ S

ПОЧ ціл і

і:=1; S:=0

поки i<=N

пц

S:=S+i/(i+1)

і:=i+1

кц

ДРУКУВАТИ S

КІН

Пояснення до алгоритму

Загальний член послідовності має вигляд: Керуюча змінна входить до ЗЧП

Алгоритм мовою Паскаль має вигляд:

Program Suma1;

var I, N:integer; S:real;

begin

write (‘ введіть кількість доданків: ‘);

readln(N);

S:=0;

for i:=1 to N do

S:=S+i/(i+1);

writeln (‘S=’, S:8:2);

end.

У цьому розв’язанні запропоновано використання циклу for, бо він підраховує кількість доданків у сумі. Однак можна замінити цей цикл на цикл з передумовою while, наприклад, так:

i:=1;

while i<=N do

begin

S:=S+i/(i+1);

i:=i+1;

end;

Приклад 2. Обчислити суму N членів послідовності: 7+12+17+22+…

Алгоритм має вигляд:

АЛГ Сума членів послідовності (ціл N, S)

АРГ N

РЕЗ S

ПОЧ ціл i, d, r

i:=1; S:=0; d:=2; r:=5

поки i<=N

пц

d:=d+r

S:=S+d

і:=i+1

кц

ДРУКУВАТИ S

КІН

Пояснення до алгоритму

Тут поточний член послідовності обчислюється на підставі попереднього шляхом додавання заданого числа. У формулі загального члена послідовності, що подається рекурентною формулою d:=d+r, немає керуючої змінної.

Алгоритм мовою Паскаль:

Program Suma2;

var i, N: word; d, r, S: longint;

begin

write (‘ Введіть кількість доданків ‘);

readln (N);

S:=0;

r:=7;

d:=5;

for i:=1 to N do

begin

S:=S+r;

r:=r+d;

end;

writeln(‘S=’, S);

end.

Однак далеко не завжди вдається записати одним виразом формулу загального члена послідовності. У цьому випадку формула загального члена може складатися з кількох частин.

Послідовність може бути і знакозмінною. Її алгоритмізація нескладна. Робота з нею виконується так само, як і із звичайною послідовністю, а чергування знака покладається на робочу комірку.

Чергування знака можна отримати і піднесенням мінус одиниці до відповідного степеня, як це робиться в математиці, але перший варіант кращий.

Приклад 3. Обчислити суму N членів знакозмінної послідовності:

Алгоритм має вигляд:

АЛГ Сума членів послідовності (ціл N, дійсн S)

АРГ N

РЕЗ S

ПОЧ ціл і, z; дійсн р

і:=1; S:=0; p:=1; z:=1

поки i<=N

пц

z:= - z

і:=i+1

кц

ДРУКУВАТИ S

КІН

Пояснення до алгоритму

Тут чергування знака членів послідовності покладено на комірку z. Якщо перший член послідовності додатний, то z:=1, і якщо від’ємний, то z:= - 1. Кожний наступний член виходить із рекурентної формули:

, де - коефіцієнт.

Алгоритм мовою Паскаль:

Program Suma3;

var I, N: word; p, S: real; z: shortint;

begin

write(‘ Введіть кількість доданків ‘);

readln(N);

S:=0;

i:=1;

p:=1;

z:=1:

while i<=N do

begin

p:=p*(4*i-3)/(6*i-4);

S:=S+z*p;

z:= - z;

i:=i+1;

end;

writeln (‘S=’, S:8:2);

end.

Посилаючись на розглянуті приклади, можна визначити 3 способи обчислення суми членів послідовності:

1. керуюча змінна присутня у загальному члені послідовності;

2. шляхом використання рекурентної формули керуюча змінна відсутня у загальному члені послідовності;

3. шляхом використання рекурентної формули керуюча змінна присутня у загальному члені послідовності.