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两打
进展任务

要成功解决编程问题,您需要了解算术、几何和无限递减几何程序的定义,每个程序的承诺项的公式,程序的nn项之和的公式,以及无限递减几何程序的项之和的定义和公式。此外,在编程问题中,很多时候需要使用程序的所谓特征。入学考试的经验表明,如果程序的nn项与nn项之和的公式情况比较好,那么特征属性就不能这么说了。因此,首先我们将关注这些属性。

算术程序的特征

序列 a1,a2,…,ana_1, a_2, \dots, a_n, … 是一个算术程序 moeda 和 molko moeda,当它的每个成员(除了第一个(以及最后一个,在有限序列的情况下)之外)都等于其邻居的算术平均值时。

证明。给定一个序列 a1,a2,…,ana_1, a_2, \dots, a_n,… 让它成为一个算术程序。让我们证明ak+1=ak+ak+22a_{k+1} = \frac{a_k + a_{k+2}}{2} (k=1,2,3,…k = 1, 2, 3, \dots)。

事实上,ak+1−ak=ak+2−ak+1a_{k+1} - a_k = a_{k+2} - a_{k+1},从何而来ak+1=ak+ak+22a_{k+1} = \frac{a_k + a_{k+2}}{2}。

现在让ak+1=ak+ak+22a_{k+1} = \frac{a_k + a_{k+2}}{2}。那么ak+1−ak=ak+2−ak+1a_{k+1} - a_k = a_{k+2} - a_{k+1},即对于给定的序列,序列的后续成员和前一个成员之间的差异是恒定的,这意味着a1,a2,…,ana_1, a_2, \dots, a_n,…是一个算术程序。

几何程序的特征

序列 b1,b2,…,bnb_1, b_2, \dots, b_n, … 是一个几何规划 moeda 和 molko moeda,当它的每一项(除了第一项(以及最后一项,在有限序列的情况下)之外)都等于其相邻项(即 b2k+1=bk⋅bk+2b_2^{k+1} = b_k \cdot b_{k+2})的乘积。

证明。令序列 b1,b2,…,bnb_1, b_2, \dots, b_n, … 为几何规划。那么bk+1bk=bk+2bk+1\frac{b_{k+1}}{b_k} = \frac{b_{k+2}}{b_{k+1}},由此而来的b2k+1=bk⋅bk+2b_2^{k+1} = b_k \cdot b_{k+2},这就是需要证明的。

相反,让b2k+1=bk⋅bk+2b_2^{k+1} = b_k \cdot b_{k+2}。那么bk+1bk=bk+2bk+1\frac{b_{k+1}}{b_k} = \frac{b_{k+2}}{b_{k+1}},即给定序列的序列项与前一个常数的比值,这意味着b1,b2,…,bnb_1, b_2, \dots, b_n,…是一个几何规划。

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在本文中,读者将找到 24 个问题,其解决方案使用了级数的所有属性。一半的问题给出了解决方案,其余的留给读者独立思考。整篇文章均采用以下符号(除非有任何保留):a1,a2,…,an,…a_1, a_2, \dots, a_n, \dots - 算术级数,dd - 差级数; b1,b2,…,bn,…b_1, b_2, \dots, b_n, \dots — 等比级数,qq — 级数的分母; SnS_n是级数nn项的总和; n,k,m,pn, k, m, p 是自然数。

算术级数

任务 1. 证明 1a1a2+1a2a3+⋯+1anan+1=na1an+1\frac{1}{a_1 a_2} + \frac{1}{a_2 a_3} + \dots + \frac{1}{a_n a_{n+1}} = \frac{n}{a_1 a_{n+1}}。

解决方案。 1a1a2=da1a2d=1da2−a1a1a2=1d(1a1−1a2)\frac{1}{a_1 a_2} = \frac{d}{a_1 a_2 d} = \frac{1}{d} \frac{a_2 - a_1}{a_1 a_2} = \frac{1}{d} \left( \frac{1}{a_1} - \frac{1}{a_2} \right)。同样地

1a2a3=1d(1a2−1a3),…,1anan+1=1d(1an−1an+1).\frac{1}{a_2 a_3} = \frac{1}{d} \left( \frac{1}{a_2} - \frac{1}{a_3} \right), \dots, \frac{1}{a_n a_{n+1}} = \frac{1}{d} \left( \frac{1}{a_n} - \frac{1}{a_{n+1}} \right).

波兹尼

1a1a2+1a2a3+⋯+1anan+1=1d(1a1−1a2)+\frac{1}{a_1 a_2} + \frac{1}{a_2 a_3} + \dots + \frac{1}{a_n a_{n+1}} = \frac{1}{d} \left( \frac{1}{a_1} - \frac{1}{a_2} \right) +

+1d(1a2−1a3)+⋯+1d(1an−1an+1)=1d(1a1−1an+1)=+ \frac{1}{d} \left( \frac{1}{a_2} - \frac{1}{a_3} \right) + \dots + \frac{1}{d} \left( \frac{1}{a_n} - \frac{1}{a_{n+1}} \right) = \frac{1}{d} \left( \frac{1}{a_1} - \frac{1}{a_{n+1}} \right) =

=1dan+1−a1a1an+1=1da1+dn−a1a1an+1=na1an+1.= \frac{1}{d} \frac{a_{n+1} - a_1}{a_1 a_{n+1}} = \frac{1}{d} \frac{a_1 + dn - a_1}{a_1 a_{n+1}} = \frac{n}{a_1 a_{n+1}}.

任务 2. 序列 u1,u2,…,un,…u_1, u_2, \dots, u_n, \dots 具有以下属性:其前 nn 项的总和 SnS_n 等于 2n2+3n2n^2 + 3n。证明这个数列是等差数列。

解决方案。利用算术级数的特征性质,我们得出结论,证明以下关系就足够了:2uk+1=uk+uk+22u_{k+1} = u_k + u_{k+2},其中k=1,2,3,…k=1, 2, 3, \dots。

我们注意到uk+1=Sk+1−Sku_{k+1} = S_{k+1} - S_k。确实,Sk+1−Sk=(u1+u2+⋯+uk+uk+1)−(u1+u2+⋯+uk)=uk+1S_{k+1} - S_k = (u_1 + u_2 + \dots + u_k + u_{k+1}) - (u_1 + u_2 + \dots + u_k) = u_{k+1}。方法,

uk+1=[2(k+1)2+3(k+1)]−(2k2+3k)=4k+5.u_{k+1} = [2(k+1)^2 + 3(k+1)] - (2k^2 + 3k) = 4k + 5.

类似地,uk=Sk−Sk−1u_k = S_k - S_{k-1}(特别是,我们假设S0=0S_0 = 0),因此uk=(2k2+3k)−[2(k−1)2+3(k−1)]=4k+1u_k = (2k^2 + 3k) - [2(k-1)^2 + 3(k-1)] = 4k + 1,最后是uk+2=Sk+2−Sk+1=4k+9u_{k+2} = S_{k+2} - S_{k+1} = 4k + 9。由于对于数字uk=4k+1u_k = 4k + 1、uk+1=4k+5u_{k+1} = 4k + 5、uk+2=4k+9u_{k+2} = 4k + 9,分别满足2uk+1=uk+uk+22u_{k+1} = u_k + u_{k+2},因此u1,u2,…,un,…u_1, u_2, \dots, u_n, \dots是算术级数的证明是合法的。

任务 3. 证明关系 Snn(m−p)+Smm(p−n)+Spp(n−m)=0\frac{S_n}{n} (m - p) + \frac{S_m}{m} (p - n) + \frac{S_p}{p} (n - m) = 0 对于算术级数成立。

解决方案。使用众所周知的 SnS_n 公式 Sn=a1+an2nS_n = \frac{a_1 + a_n}{2} n 以及SmS_m 和 SpS_p 的类似公式,我们将所证明的等式的左侧简化为以下形式

a1+an2(m−p)+a1+am2(p−n)+a1+ap2(n−m).\frac{a_1 + a_n}{2} (m - p) + \frac{a_1 + a_m}{2} (p - n) + \frac{a_1 + a_p}{2} (n - m).

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应用算术级数an=a1+d(n−1)a_n = a_1 + d(n-1)到ana_n的通项公式,并对am,apa_m, a_p做同样的事情,我们得到

12{[2a1+d(n−1)](m−p)+[2a1+d(m−1)](p−n)+[2a1+d(p−1)](n−m)}\frac{1}{2} \left\{ [2a_1 + d(n-1)] (m-p) + [2a_1 + d(m-1)] (p-n) + [2a_1 + d(p-1)] (n-m) \right\}

及以后

12{2a1[(m−p)+(p−n)+(n−m)]+d[(n−1)(m−p)+(m−1)(p−n)+(p−1)(n−m)]}.\frac{1}{2} \left\{ 2a_1 [(m-p) + (p-n) + (n-m)] + d [(n-1)(m-p) + (m-1)(p-n) + (p-1)(n-m)] \right\}.

由于两个方括号中的和都等于0,那么整个表达式就等于0,这就是我们需要证明的。

任务 4:找到一个能被 45 整除且其数字构成等差数列的三位数。

解决方案e.令 xx 为所需数字的百位数字,yy 为十位数字,zz 为所需数字的个位数字。由于根据条件 x,y,zx, y, z 是算术级数,则

2y=x+z.(1)2y = x + z. \tag{1}

所需数字的形式为100x+10y+z100x + 10y + z。由于根据条件它可以被 45 整除,那么

100x+10y+z=45p.(2)100x + 10y + z = 45p. \tag{2}

因此,所需的数量由条件(1)和(2)确定。

个位有两种可能:z=0z=0 或 z=5z=5(这是根据所需数字能被 5 整除得出的)。考虑案例z=0z=0。然后从(1)我们得到x=2yx=2y,从(2)我们得到100x+10y=45p100x + 10y = 45p,或20x+2y=9p20x + 2y = 9p,20x+x=9p20x + x = 9p或7x=3p7x = 3p。这意味着 xx 可以被 3 整除。此外,由于 xx 是偶数 (x=2yx=2y),我们得出结论,xx 只有一种可能性:x=6x=6。那么y=3y=3,则所需数量为630。

现在让我们考虑第二种情况:z=5z=5。在这种情况下,条件(1)和(2)采用相应的形式:

2y=x+5;100x+10y+5=45p.2y = x + 5; 100x + 10y + 5 = 45p.

最后一个等式转换为20x+2y+1=9p20x + 2y + 1 = 9p的形式,然后考虑等式2y=x+52y=x+5,我们得到21x+6=9p21x+6=9p或7x+2=3p7x+2=3p。最后一个等式对于 x=1,4,7x=1, 4, 7 是可能的。但由于x+5x+5是偶数(x+5=2yx+5=2y),xx只剩下两种可能:x=1,x=7x=1, x=7。第一种情况y=3y=3,第二种情况y=6y=6。第一种情况下所需的对应数为 135,第二种情况下为 765。因此,满足问题条件的是三个数:135、630、765。

几何级数

任务 5. 计算总和 2+22+222+…+222…22 + 22 + 222 + \ldots + 222\ldots 2

解决方案e. 2+22+222+…+222…2=2[1+(1+10)+(1+10+102)+…+(1+10+102+…+10n−1)]=2[S1+S2+S3+…+Sn]2 + 22 + 222 + \ldots + 222\ldots 2 = 2[1 + (1+10) + (1+10+10^2) + \ldots + (1+10+10^2 + \ldots + 10^{n-1})] = 2[S_1 + S_2 + S_3 + \ldots + S_n],其中 SkS_k 是几何级数 1、10、10210^2、10310^3、… (k=1,2,…,nk=1, 2, \ldots, n) 的 kk 项之和。将公式Sk=b1(qk−1)q−1S_k = \frac{b_1(q^k - 1)}{q-1}应用于几何级数的项之和,我们得到

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2(S1+S2+S3+…+Sn)=2(10−19+102−19+…+10n−19)=29[10(1+10+102+…+10n−1)−n]=29[10(10n−1)9−n]=2(10n+1−10−9n)81.2(S_1 + S_2 + S_3 + \ldots + S_n) = 2\left(\frac{10 - 1}{9} + \frac{10^2 - 1}{9} + \ldots + \frac{10^n - 1}{9}\right) = \frac{2}{9}[10(1 + 10 + 10^2 + \ldots + 10^{n-1}) - n] = \frac{2}{9}\left[\frac{10(10^n - 1)}{9} - n\right] = \frac{2(10^{n+1} - 10 - 9n)}{81}.

任务 6. 证明序列 u1,u2,u3u_1, u_2, u_3,其中
u1=9,u2=312tgx,u3=(19)cos⁡2x,u_1 = 9, \quad u_2 = 3^{\frac{1}{2}} \text{tg} x, \quad u_3 = \left(\frac{1}{9}\right)^{\cos 2x},
是几何级数当且仅当
x=πl,x=π12+πl,x=5π12+πl(l=0,±1,±2,…).x = \pi l, \quad x = \frac{\pi}{12} + \pi l, \quad x = \frac{5\pi}{12} + \pi l \quad (l = 0, \pm 1, \pm 2, \ldots).

解决方案。根据等比级数的特征性质,我们得出方程的求解性质问题
912tgx=9(19)cos⁡2x9^{\frac{1}{2}} \text{tg} x = 9\left(\frac{1}{9}\right)^{\cos 2x}

让我们对这个方程进行连续变换:
12tgx=1−cos⁡2x,\frac{1}{2} \text{tg} x = 1 - \cos 2x,
tgx=4sin⁡2x,sin⁡x(2sin⁡2x−1)=0(cos⁡x≠0).\text{tg} x = 4 \sin^2 x, \quad \sin x (2 \sin 2x - 1) = 0 \quad (\cos x \neq 0).
因此,必须满足两个方程之一:
sin⁡x=0,sin⁡2x=12,\sin x = 0, \quad \sin 2x = \frac{1}{2},

在哪里
x=πl,x=π12+πl,x=5π12+πl.x = \pi l, \quad x = \frac{\pi}{12} + \pi l, \quad x = \frac{5\pi}{12} + \pi l.

得到的级数只有它们满足方程(3)。因此,对于获得的值xx并且仅对于它们u1,u2,u3u_1, u_2, u_3是几何级数。

任务 7. 数字 10、11、12 可以属于同一个等比级数吗?

解决方案和e。假设给定的数字是等比级数的项,第一项为b1b_1,分母为qq。然后10=b1qn,11=b1qm,12=b1qp10 = b_1 q^n, 11 = b_1 q^m, 12 = b_1 q^p。从这些关系我们得到
1110=qm−n,1210=qp−n\frac{11}{10} = q^{m-n}, \quad \frac{12}{10} = q^{p-n}

及以后
(1110)p−n=(1210)m−n,\left(\frac{11}{10}\right)^{p-n} = \left(\frac{12}{10}\right)^{m-n},
11p−n12m−n=10p−m.\frac{11^{p-n}}{12^{m-n}} = 10^{p-m}.

最后一个等式对于任何成对不同的自然数n,m,pn, m, p都不能成立。这意味着数字 10、11、12 不能是同一等比级数的成员。

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任务8.无限杀几何级数的项之和为9,其项的平方和为40.5。找出级数的第一项和能指。

解决方案。使用公式S=b11−qS = \frac{b_1}{1-q}求无限杀戮几何级数的项之和,我们得到b11−q=9\frac{b_1}{1-q} = 9。

考虑序列b12,b22,…,bn2,…b_1^2, b_2^2, \ldots, b_n^2, \ldots。请注意,这是一个无限致命的几何级数,其中第一项为b12b_1^2,值为q2q^2。那么这个级数的项之和由公式 b121−q2\frac{b_1^2}{1-q^2} 确定,等于 40.5。

结果,问题归结为解决系统

b11−q=9,b121−q2=40,5.\frac{b_1}{1-q} = 9, \quad \frac{b_1^2}{1-q^2} = 40,5.

从这个系统我们得到:b1=6,q=13b_1 = 6, \quad q = \frac{1}{3}。

混合进展问题

任务 9:已知偶数,前三个是等比数列,后三个是等差数列,极端数之和为 21,中间数之和为 18。

解决方案。设a,b,c,da, b, c, d为原数; a,b,ca, b, c是等比级数,即b2=acb^2=ac; b,c,db, c, d是等差数列,所以2c=b+d2c=b+d。结果,我们得到以下方程组:

{b2=ac,2c=b+d,a+d=21,b+c=18.\begin{cases} b^2=ac, \\ 2c=b+d, \\ a+d=21, \\ b+c=18. \end{cases}

求解这个系统,我们得到 a=3,b=6,c=12,d=18a=3, b=6, c=12, d=18 或

a=754,b=454,c=274,d=94.a = \frac{75}{4}, \quad b = \frac{45}{4}, \quad c = \frac{27}{4}, \quad d = \frac{9}{4}.

任务 10. 当数字形成等比级数时。如果第二个数字加 2,则所得数字形成等差数列。如果你将第三个数字增加 9,你将再次得到几何级数。找到这些数字。

解决方案。我们将问题的条件重写如下:

b1,b2,b3 — геометрическая прогрессия;b_1, b_2, b_3 \text{ — геометрическая прогрессия;}
b1,b2+2,b3 — арифметическая прогрессия;b_1, b_2+2, b_3 \text{ — арифметическая прогрессия;}
b1,b2+2,b3+9 — геометрическая прогрессия.b_1, b_2+2, b_3+9 \text{ — геометрическая прогрессия.}

利用级数的特征,我们得到

{2(b2+2)=b1+b3,(b2+2)2=b1(b3+9).\begin{cases} 2(b_2+2) = b_1+b_3, \\ (b_2+2)^2 = b_1(b_3+9). \end{cases}