Granice ciągów i szereg geometryczny: teoria i zadania maturalne
Do czego „zmierzają” wyrazy ciągu: granice ciągów wymiernych, symbole ∞∞ i ∞−∞, a także suma nieskończonego szeregu geometrycznego i zamiana ułamka okresowego.
Teoria
Granica ciągu: intuicja
Liczba g jest granicą ciągu (an), gdy dla dużych n wyrazy są dowolnie blisko g. Piszemy n→∞liman=g; ciąg jest wtedy zbieżny. Ciąg może też dążyć do +∞ lub −∞ (rozbieżny do nieskończoności) albo nie mieć granicy (np. (−1)n).
Ciąg aₙ = 2 − 3/(n+1) zbliża się do 2, ale nigdy go nie przekracza.
Podstawowe granice
limn1=0,limnkc=0(k>0),limqn=0dla∣q∣<1.
Arytmetyka granic: jeśli liman=a i limbn=b, to granica sumy, różnicy, iloczynu i ilorazu (gdy b=0) jest odpowiednio a+b, a−b, ab, ba.
Ciągi wymierne: dzielenie przez najwyższą potęgę
Licznik i mianownik dzielimy przez najwyższą potęgę n z mianownika:
lim2n2+53n2−n=lim2+n253−n1=23.
Szybka reguła dla wielomianwielomian
Porównaj stopnie: równe: granica to iloraz współczynników przy najwyższych potęgach; licznik niższego stopnia: granica 0; licznik wyższego stopnia: ±∞ (znak z ilorazu współczynników). Na maturze pokaż jednak przekształcenie.
Suma nieskończenie wielu wyrazów ciągu geometrycznego a1+a1q+a1q2+… istnieje (szereg jest zbieżny) wtedy i tylko wtedy, gdy ∣q∣<1 (lub a1=0), i wynosi
S=1−qa1.
11/21/41/8
1+21+41+81+…: każdy kolejny prostokąt zajmuje połowę pozostałego miejsca, a wszystkie razem wypełniają prostokąt o polu 2=1−211.
Ułamek okresowy jako szereg
0,(27)=0,27+0,0027+…: szereg z a1=10027, q=1001: S=99/10027/100=9927=113.
Dlaczego nieskończona suma może być skończona
1+21+41+81+…: każdy krok zabiera połowę brakującej drogi do 2. Nigdy jej nie przekraczamy, a brakujący kawałek staje się dowolnie mały: suma to dokładnie 2=1−211.
Na maturze rozszerzonej
Obliczanie granic (zadanie z kodowaną odpowiedzią lub otwarte za 2 pkt), suma szeregu, równania z szeregiem geometrycznym: pamiętaj o warunku zbieżności ∣q∣<1!
Wzory
Granice podstawowe
n→∞limn1=0,n→∞limqn=0(∣q∣<1)
Budulec wszystkich obliczeń granic.
Ciąg wymierny
limbknk+…aknk+…=bkak
Przy równych stopniach: iloraz współczynników przy najwyższych potęgach.
Mnożenie przez sprzężenie
A−B=A+BA−B
Usuwa symbol ∞−∞ przy pierwiastkach.
Suma szeregu geometrycznego
S=1−qa1,∣q∣<1
Suma nieskończenie wielu wyrazów; warunek zbieżności ∣q∣<1.
Przykłady rozwiązane krok po kroku
Przykład 1
Oblicz granicę n→∞lim3n+2(2n+1)2−4n2.
Najpierw upraszczamy licznik: (2n+1)2−4n2=4n2+4n+1−4n2=4n+1.
lim3n+24n+1=lim3+n24+n1=34.
Granica: 34
Przykład 2
Rozwiąż równanie x+x2+x3+…=3, gdzie lewa strona jest sumą nieskończonego szeregu geometrycznego.
Szereg: a1=x, q=x. Zbieżny dla ∣x∣<1, wtedy S=1−xx. 1−xx=3⇒x=3−3x⇒x=43. 43<1 ✓.
x=43
Zadania maturalne z rozwiązaniami
Zadanie 1 (1 pkt)
Granica n→∞lim2n2+53n2−n jest równa
23
0
+∞
−51
Odpowiedź: A
Rozwiązanie
lim2+n253−n1=23.
Odpowiedź A
Zadanie 2 (1 pkt)
Granica n→∞limn2+3n+1 jest równa
1
31
0
+∞
Odpowiedź: C
Rozwiązanie
lim1+n23n1+n21=10=0.
Odpowiedź C
Zadanie 3 (1 pkt)
Granica n→∞limn2+12n3−n jest równa
2
+∞
0
−∞
Odpowiedź: B
Rozwiązanie
1+n212n−n1→1+∞=+∞.
Odpowiedź B
Zadanie 4 (1 pkt)
Granica n→∞lim(3+5⋅(21)n) jest równa
8
5,5
+∞
3
Odpowiedź: D
Rozwiązanie
5⋅(21)n→0, więc granica to 3.
Odpowiedź D
Zadanie 5 (1 pkt)
Suma nieskończonego szeregu geometrycznego 8+4+2+1+… jest równa
15
16
+∞
12
Odpowiedź: B
Rozwiązanie
To szereg geometryczny: a1=8, każdy wyraz to połowa poprzedniego, więc q=21. Ponieważ ∣q∣<1, suma nieskończona istnieje:
S=1−qa1=1−218=218=16.
Intuicja: 8+4+2+1+… coraz bardziej zbliża się do 16, ale nigdy go nie przekracza.