Геометрична прогресія: знаменник і формула n-го члена
~15 хв · 8 розділів · 9 тестових запитань
Розпізнавай геометричну прогресію за сталою часткою сусідніх членів, знаходь знаменник q, обчислюй будь-який член за формулою bₙ = b₁ · qⁿ⁻¹, враховуй обидва знаки знаменника з рівняння q² = c і застосовуй характеристичну властивість bₙ² = bₙ₋₁ · bₙ₊₁.
Геометрична прогресія — це числова послідовність, яка має особливу властивість: кожен її член, починаючи з другого, дорівнює попередньому, помноженому на одне й те саме ненульове число. Це число називають знаменником геометричної прогресії й позначають літерою q.
Означення
Геометричною прогресією називають послідовність ненульових чисел b₁, b₂, b₃, …, bₙ, …, у якій для всіх натуральних n виконується рівність:
або, що те саме,
Число q називають знаменником геометричної прогресії. Він може бути будь-яким числом, крім нуля: q ≠ 0.
Приклади геометричних прогресій
Послідовність | Знаменник q | Пояснення |
|---|---|---|
3, 6, 12, 24, 48, … | 2 | Кожен член удвічі більший за попередній |
81, 27, 9, 3, 1, … | 1/3 | Кожен член утричі менший за попередній |
2, −6, 18, −54, 162, … | −3 | Знаки чергуються, бо q < 0 |
5, 5, 5, 5, … | 1 | Стала послідовність |
Від'ємний знаменник — чергування знаків
Якщо q < 0, то знаки членів прогресії чергуються. Члени з непарними номерами мають знак b₁, а з парними — протилежний. Наприклад, у прогресії 2, −6, 18, −54, 162, … додатні члени стоять на непарних місцях, а від'ємні — на парних.
Що не може бути геометричною прогресією?
Нуль не може бути членом геометричної прогресії. Якщо хоч один член дорівнює нулю, то наступний член bₙ₊₁ = 0 · q = 0, і вся решта теж стане нулем. Тоді частка bₙ₊₁/bₙ стає невизначеною (0/0). Тому в означенні геометричної прогресії всі члени мають бути ненульовими.
Послідовність 1, 0, 0, 0, … або 5, 0, 0, … НЕ є геометричною прогресією.
Як перевірити, чи є послідовність геометричною прогресією?
Достатньо знайти частки сусідніх членів. Якщо всі вони однакові — послідовність є геометричною прогресією. Якщо хоч одна частка відрізняється — ні.
Послідовність | Частки сусідніх членів | Висновок |
|---|---|---|
2, 4, 8, 16 | 4:2 = 2, 8:4 = 2, 16:8 = 2 | Геометрична прогресія |
1, 2, 4, 6 | 2:1 = 2, 4:2 = 2, 6:4 = 1,5 | Не прогресія |
5, 10, 15 | 10:5 = 2, 15:10 = 1,5 | Не прогресія (арифметична) |
1, 3, 5, 7 | 3:1 = 3, 5:3 ≈ 1,67 | Не прогресія (арифметична) |
Не плутай: в арифметичній прогресії кожен наступний член отримують додаванням сталої різниці (5, 10, 15 — різниця 5), а в геометричній — множенням на сталий знаменник (5, 10, 20 — знаменник 2).
Якщо відомі перший член b₁ і знаменник q геометричної прогресії, то можна обчислити будь-який її член, не виписуючи всіх попередніх. Для цього існує формула n-го члена геометричної прогресії.
Виведення формули
За означенням:
Помічаємо закономірність: показник степеня при q на одиницю менший від номера члена. Отже,
Формула n-го члена геометричної прогресії:
У цій формулі n — номер шуканого члена. Від першого члена до n-го ми множимо на q рівно n − 1 разів.
Приклади обчислень
Додатний цілий знаменник
Нехай b₁ = 5, q = 2. Знайдемо b₆:
Перевіримо: 5, 10, 20, 40, 80, 160 — справді шостий член дорівнює 160.
Дробовий і від'ємний знаменник
Нехай b₁ = 81, q = −1/3. Знайдемо b₄ і b₅.
Зверни увагу: непарний степінь від'ємного q дає від'ємний результат, тому b₄ має знак, протилежний до b₁. Парний степінь дає додатне число, тому b₅ збігається за знаком із b₁.
Перехід від відомого члена
Іноді зручніше використовувати формулу, що виражає n-й член через будь-який інший відомий член bₘ:
Наприклад, якщо відомо b₄ = 5 і q = 3, то b₇ = b₄ · q³ = 5 · 27 = 135. Ця форма зручна, коли не знаємо першого члена.
Знаходження номера члена
Бувають задачі, у яких відомі b₁, q і значення деякого члена, а потрібно знайти його номер n. Для цього підставляємо дані у формулу й розв'язуємо показникове рівняння, зводячи обидві частини до степенів з однією основою.
Приклад. У геометричній прогресії 2, 6, 18, … знайти номер члена, що дорівнює 486.
Маємо b₁ = 2, q = 3. Підставляємо:
Отже, член 486 має номер 6. Перевіримо: 2, 6, 18, 54, 162, 486 — справді шостий член.
Підказка: у довідкових матеріалах НМТ подано формули bₙ = b₁ · qⁿ⁻¹ та Sₙ = b₁(qⁿ − 1)/(q − 1). Користуйся ними, але пам'ятай, що показник степеня — саме n − 1, а не n.
Найцікавіші задачі на геометричну прогресію починаються тоді, коли відомі не перший член і знаменник, а два довільні члени. За ними можна знайти q, а потім і b₁. Однак тут є важливий нюанс: знак знаменника може бути неоднозначним.
Два відомі члени: парна різниця номерів
Нехай у геометричній прогресії відомо b₂ = 6 і b₄ = 54. Знайдемо q і b₁.
Скористаємося формулою bₙ = bₘ · qⁿ⁻ᵐ. Тут n = 4, m = 2, тому:
Звідси:
Рівняння q² = 9 має два розв'язки: q = 3 або q = −3. Далі знаходимо b₁:
Отже, існують дві прогресії, що задовольняють умову:
2, 6, 18, 54, … (q = 3) та −2, 6, −18, 54, … (q = −3)
Зверни увагу: різниця номерів 4 − 2 = 2 — парна, тому ми отримали q², а це квадратне рівняння з двома коренями.
Непарна різниця номерів — один знаменник
Якщо різниця номерів непарна, то ми отримуємо q³ (або q⁵ тощо), і знак знаменника визначається однозначно.
Приклад: b₂ = 4, b₅ = −32. Різниця номерів 5 − 2 = 3 — непарна.
Рівняння q³ = c має єдиний дійсний корінь q = ∛c, тому знаменник визначено однозначно.
Характеристична властивість геометричної прогресії
Геометрична прогресія має ще одну важливу властивість, яку називають характеристичною:
Це означає, що квадрат будь-якого члена геометричної прогресії (крім першого й останнього, якщо прогресія скінченна) дорівнює добутку двох сусідніх із ним членів.
Для додатних членів звідси випливає:
Тобто в прогресії з додатними членами кожен член (крім крайніх) є середнім геометричним своїх сусідів.
Приклад: вставлення члена між двома числами
Між числами 3 і 27 вставте число так, щоб утворилася геометрична прогресія.
Нехай шукане число — x. Тоді 3, x, 27 — послідовні члени геометричної прогресії. За характеристичною властивістю:
Обидва числа утворюють геометричну прогресію: 3, 9, 27 (q = 3) і 3, −9, 27 (q = −3).
Знаходження змінної за характеристичною властивістю
Нехай числа x + 1, x + 4, x + 10 є послідовними членами геометричної прогресії. Знайдемо x.
За характеристичною властивістю:
Розкриваємо дужки:
Скорочуємо x²:
Тоді члени прогресії: 3, 6, 12 — справді геометрична прогресія з q = 2.
Запам'ятай: характеристична властивість bₙ² = bₙ₋₁ · bₙ₊₁ — це не лише спосіб перевірки, а й потужний інструмент для знаходження невідомих членів або змінних.
У цьому розділі розв'яжемо п'ять типових задач на геометричну прогресію — саме таких, які трапляються на НМТ. Кожен приклад містить повний покроковий розв'язок і пояснення, чому інші варіанти відповіді неправильні.
Приклад 1. Обчислення n-го члена з від'ємним знаменником
Дано геометричну прогресію, у якій b₁ = 81, q = −1/3. Знайдіть b₅.
Розв'язання. За формулою n-го члена:
Відповідь: 1.
Чому інші варіанти неправильні:
−1 — помилка в знаку: (−1/3)⁴ = 1/81, а не −1/81, тому результат додатний.
−1/3 — узято qⁿ замість qⁿ⁻¹: обчислено 81 · (−1/3)⁵ = −1/3, але потрібен показник n − 1 = 4.
3 — узято показник 3 замість 4 і загублено знак: 81 · (1/3)³ = 3.
1/3 — узято показник n = 5 замість n − 1 і загублено знак: 81 · (1/3)⁵ = 1/3.
Приклад 2. Два відомі члени з обмеженням на знак знаменника
У геометричній прогресії b₂ = 12, b₄ = 48. Знаменник від'ємний. Знайдіть b₁.
Розв'язання. Різниця номерів 4 − 2 = 2 — парна, тому:
Звідси q = 2 або q = −2. За умовою знаменник від'ємний, тому q = −2.
Знаходимо b₁:
Відповідь: −6.
Приклад 3. Розпізнавання геометричної прогресії
Яка з наведених послідовностей є геометричною прогресією?
А) 1, 3, 5, 7
Б) 2, 4, 8, 12
В) 3, −6, 12, −24
Г) 5, 10, 15, 30
Д) 1, 0, 0, 0
Розв'язання. Перевіряємо частки сусідніх членів:
А) 3:1 = 3, 5:3 ≈ 1,67 — частки різні, не прогресія (це арифметична прогресія з різницею 2).
Б) 4:2 = 2, 8:4 = 2, 12:8 = 1,5 — частки різні, не прогресія.
В) −6:3 = −2, 12:(−6) = −2, −24:12 = −2 — всі частки однакові (q = −2). Це геометрична прогресія.
Г) 10:5 = 2, 15:10 = 1,5 — частки різні, не прогресія.
Д) 0:1 = 0, 0:0 — невизначеність, нуль не може бути членом геометричної прогресії.
Відповідь: В) 3, −6, 12, −24.
Приклад 4. Знаходження змінної за характеристичною властивістю
При якому значенні x числа x + 1, x + 4, x + 10 є послідовними членами геометричної прогресії?
Розв'язання. За характеристичною властивістю:
Розкриваємо дужки:
Скорочуємо x²:
Тоді члени прогресії: 3, 6, 12 — геометрична прогресія з q = 2.
Відповідь: 2.
Приклад 5. Знаходження номера члена
Геометричну прогресію задано першими трьома членами: 2, 6, 18, … Який номер має член, що дорівнює 486?
Розв'язання. Знаходимо знаменник: q = 6/2 = 3. За формулою n-го члена:
Відповідь: 6.
Чому інші варіанти неправильні:
5 — узято 3ⁿ замість 3ⁿ⁻¹: з 2 · 3ⁿ = 486 виходить n = 5, але в показнику стоїть n − 1, тож n − 1 = 5 і n = 6.
7 — помилка в обчисленні степеня: 3⁶ = 729, а 2 · 729 = 1458, що не дорівнює 486.
243 — це значення 3ⁿ⁻¹, а не номер члена.
81 — це значення 3⁴, помилковий проміжний результат.
Розберемо найпоширеніші помилки, яких припускаються учні під час роботи з геометричною прогресією. Знаючи їх, ти зможеш уникнути пасток на НМТ.
З рівняння q² = 4 узято лише q = 2. Рівняння q² = c має два корені: q = √c і q = −√c. Якщо в умові немає додаткового обмеження (знаменник додатний, члени додатні тощо), треба розглянути обидва значення.
Формула bₙ = b₁ · qⁿ замість bₙ = b₁ · qⁿ⁻¹. Найпоширеніша механічна помилка. Показник степеня — n − 1, а не n. Перевіряй: b₂ = b₁ · q¹, а не b₁ · q².
q = b₁/b₂ — частка в зворотному порядку. За означенням q = bₙ₊₁/bₙ, тобто наступний член ділимо на попередній. Якщо поділити попередній на наступний, отримаєш 1/q, а не q.
Помилка в знаку непарного степеня від'ємного знаменника. Наприклад, (−1/3)³ = −1/27, а не 1/27. Непарний степінь від'ємного числа — від'ємний. Парний — додатний.
З bₙ² = bₙ₋₁ · bₙ₊₁ узято лише додатний корінь. Якщо умова не обмежує знаки членів, то bₙ може бути як додатним, так і від'ємним. Наприклад, між 3 і 27 можна вставити 9 або −9.
Сплутано геометричну прогресію з арифметичною. В арифметичній прогресії кожен наступний член отримують додаванням сталої різниці (2, 4, 6, 8 — різниця 2). У геометричній — множенням на сталий знаменник (2, 4, 8, 16 — знаменник 2). Перевіряй себе: знайди частку сусідніх членів, а не різницю.
Геометрична прогресія входить до теми «Числові послідовності» розділу «Функції» програми. Уміння, яке перевіряють: «розв'язувати задачі на арифметичну та геометричну прогресії».
Довідкові матеріали
На НМТ ти отримаєш довідкові матеріали, у яких є формули:
bₙ = b₁ · qⁿ⁻¹ — формула n-го члена геометричної прогресії;
Sₙ = b₁(qⁿ − 1)/(q − 1) — сума n перших членів (але ця тема — окремий урок).
Формули можна й треба використовувати: під час НМТ довідкові матеріали доступні в електронній формі.
Форми завдань
Форма | Номери завдань | Бали | Формат відповіді |
|---|---|---|---|
Вибір однієї з п'яти | 1–15 | 0 або 1 | А, Б, В, Г або Д |
Коротка відповідь | 19–22 | 0 або 2 | Десятковий дріб або ціле число |
У завданнях з вибором відповіді (1–15) ти обираєш одну правильну відповідь серед п'яти. У завданнях з короткою відповіддю (19–22) потрібно вписати число — ціле або десятковий дріб.
Як ураховують два знаменники
Коли з рівняння q² = c виходять два значення знаменника (додатне й від'ємне), умова задачі зазвичай додає обмеження, яке усуває неоднозначність. Наприклад: «знаменник від'ємний», «члени прогресії додатні», «прогресія зростає». Якщо обмеження немає, то в завданні з вибором відповіді правильним може бути варіант, що враховує обидва знаки.
Стратегія розв'язання
Визнач, чи маєш справу з геометричною прогресією: перевір сталість частки сусідніх членів.
Випиши відомі величини: b₁, q, n або значення члена.
Застосуй формулу bₙ = b₁ · qⁿ⁻¹ або bₙ = bₘ · qⁿ⁻ᵐ.
Якщо знаходиш q через q² = c, випиши обидва значення й перевір кожне за умовою задачі.
Для знаходження номера члена зведи рівняння до степенів з однією основою.
Перевір відповідь підстановкою.
Чому з рівняння q² = 9 виходять два знаменники?
Бо квадратне рівняння x² = a (де a > 0) завжди має два корені: x = √a і x = −√a. Справді, 3² = 9 і (−3)² = 9. Тому якщо різниця номерів двох відомих членів парна, то ми отримуємо q у парному степені, а таке рівняння має два розв'язки — додатний і від'ємний. Якщо умова задачі не вказує знак знаменника, треба розглянути обидва.
Чи може знаменник геометричної прогресії бути від'ємним?
Так, може. Якщо q < 0, то знаки членів прогресії чергуються: члени з непарними номерами мають знак b₁, а з парними — протилежний. Наприклад, 2, −6, 18, −54, … — це геометрична прогресія з q = −3. Від'ємний знаменник не робить прогресію «неправильною» — це цілком допустима ситуація.
Чому нуль не може бути членом геометричної прогресії?
За означенням, геометрична прогресія — це послідовність ненульових чисел. Якщо хоч один член дорівнює нулю, то наступний член bₙ₊₁ = 0 · q = 0, і вся решта теж стане нулем. Тоді частка bₙ₊₁/bₙ перетворюється на 0/0 — невизначеність. Тому послідовності, що містять нуль, не є геометричними прогресіями.
Як швидко відрізнити арифметичну прогресію від геометричної?
Знайди різницю двох сусідніх членів (bₙ₊₁ − bₙ) і частку (bₙ₊₁ / bₙ). Якщо різниця стала — це арифметична прогресія. Якщо частка стала — це геометрична прогресія. Наприклад, 5, 10, 15: різниця 5 (стала) → арифметична; 5, 10, 20: частка 2 (стала) → геометрична. Ніколи не плутай: множення — це геометрична, додавання — арифметична.
Що робити, якщо номер члена опинився в показнику степеня?
Це нормально. Підстав відомі значення у формулу bₙ = b₁ · qⁿ⁻¹, отримаєш показникове рівняння. Зведи обидві частини до степенів з однією основою й прирівняй показники. Наприклад: 2 · 3ⁿ⁻¹ = 486 → 3ⁿ⁻¹ = 243 = 3⁵ → n − 1 = 5 → n = 6. Якщо основи не зводяться до однієї, можна використати логарифми.
q = bₙ₊₁/bₙ, q ≠ 0, усі члени ненульові. Геометрична прогресія — це послідовність, у якій частка кожного наступного члена до попереднього є сталою.
bₙ = b₁ · qⁿ⁻¹ — формула n-го члена. Показник степеня — n − 1, а не n.
При q < 0 знаки членів чергуються. Непарні номери мають знак b₁, парні — протилежний.
q² = c дає два знаменники — перевір обидва. Якщо різниця номерів парна, то q може бути додатним або від'ємним. Непарна різниця дає один знак.
bₙ² = bₙ₋₁ · bₙ₊₁ — характеристична властивість. Квадрат будь-якого члена (крім крайніх) дорівнює добутку сусідів. Для додатних членів bₙ — середнє геометричне сусідніх.