Progressão aritmética
Uma progressão aritmética (abreviadamente, P. A.) é uma sequência numérica em que cada termo, a partir do segundo, é igual à soma do termo anterior com uma constante r.{displaystyle r.} O número r{displaystyle r} é chamado de razão ou diferença comum da progressão aritmética.[1][2][3]
Índice
1 Definição
1.1 Exemplos
2 Fórmula do termo geral
2.1 Demonstração
2.2 Propriedades
3 Soma dos termos de uma progressão aritmética
3.1 Demonstrações
4 Interpolação aritmética
5 Tipos de progressões aritméticas
5.1 Progressão aritmética constante
5.2 Progressão aritmética crescente
5.3 Progressão aritmética decrescente
5.4 Progressão aritmética de segunda ordem
5.5 Progressão aritmética de ordem qualquer
6 Progressões Aritmético-Geométricas
7 Ver também
8 Referências
Definição |
Uma progressão aritmética é uma sequência numérica (an)n∈N{displaystyle (a_{n})_{nin mathbb {N} }} definida recursivamente por:[2][3]
onde o primeiro termo, a1,{displaystyle a_{1},} é um número dado. O número r{displaystyle r} é chamado de razão da progressão aritmética.
Notamos que:
Exemplos |
Alguns exemplos de progressões aritméticas:
(1, 4, 7, 10, 13, …){displaystyle (1,~4,~7,~10,~13,~ldots )} é uma progressão aritmética em que o primeiro termo a1{displaystyle a_{1}} é igual a 1{displaystyle 1} e a razão r{displaystyle r} é igual a 3.{displaystyle 3.}
(−2, −4, −6, −8, −10, …){displaystyle (-2,~-4,~-6,~-8,~-10,~ldots )} é uma P.A. em que a1=−2{displaystyle a_{1}=-2} e r=−2.{displaystyle r=-2.}
(6, 6, 6, 6, 6, …){displaystyle (6,~6,~6,~6,~6,~ldots )} é uma P.A. com a1=6{displaystyle a_{1}=6} e r=0.{displaystyle r=0.}
Fórmula do termo geral |
O n-ésimo termo de uma progressão aritmética, denotado por an,{displaystyle a_{n},} pode ser obtido por meio da fórmula:[1][2][3]
em que:
a1{displaystyle a_{1}} é o primeiro termo;
r{displaystyle r} é a razão.
Demonstração |
A fórmula do termo geral pode ser demonstrada por indução matemática:
- Ela é válida para o segundo termo pois, por definição, cada termo é igual ao anterior mais uma constante fixa r e portanto a2=a1+1⋅r;{displaystyle a_{2}=a_{1}+1cdot r;}
- Assumindo como hipótese de indução que a fórmula é válida para n−1,{displaystyle n-1,} ou seja, que an−1=a1+(n−2)⋅r,{displaystyle a_{n-1}=a_{1}+(n-2)cdot r,} resulta que o n-ésimo termo é dado por:
Propriedades |
Como consequência direta da fórmula do termo geral, vemos que o n{displaystyle n}-ésimo termo de uma P.A. pode ser obtido como função do m{displaystyle m}-ésimo termo por:
efeito, am+(n−m)r=a1+(m−1)r+(n−m)r=a1+(n−1)r=an.{displaystyle a_{m}+(n-m)r=a_{1}+(m-1)r+(n-m)r=a_{1}+(n-1)r=a_{n}.}
Além disso, também é consequência direta da fórmula do termo geral que:
ou seja, a partir do segunda termo, o termo central é a média aritmética do termo antecessor e do sucessor. De fato:
Soma dos termos de uma progressão aritmética |
A soma dos termos de uma progressão aritmética situados no intervalo fechado de ap{displaystyle a_{p}} até aq{displaystyle a_{q}} é dada pelo produto do número de termos no intervalo, (q - p + 1), pela média aritmética dos extremos do intervalo. Ou seja, pela seguinte fórmula:
Em particular, para somar os n primeiros termos, pode-se utilizar a seguinte simplificação da fórmula anterior:
ou
Exemplo: Seja PA=(10,8,6,4,2),{displaystyle PA=(10,8,6,4,2),} qual é a soma dos 4 primeiros números?
Demonstrações |
Considerando a PA (a1,a2,a3,...,an−1,an),{displaystyle (a_{1},a_{2},a_{3},...,a_{n-1},a_{n}),} a soma Sn{displaystyle S_{n}} de todos os termos dessa progressão pode ser escrita assim:
Somando membro a membro, obtemos:
Todos os pares entre parênteses têm o mesmo valor por serem simétricos em relação aos extremos da PA
e assim por diante
Então, como há n{displaystyle n} pares de termos:
Interpolação aritmética |
Dada uma sequência finita (a1, a2, …, an),{displaystyle (a_{1},~a_{2},~ldots ,~a_{n}),} chamamos a1{displaystyle a_{1}} e an{displaystyle a_{n}} de termos extremos e os demais de termos meios. Interpolação aritmética é o procedimento de inserir (interpolar) k{displaystyle k} meios entre dois números dados a{displaystyle a} e b,{displaystyle b,} de forma a obtermos uma progressão aritmética de n=k+2{displaystyle n=k+2} termos, sendo a{displaystyle a} e b{displaystyle b} seus extremos.[2]
A P.A. que corresponde a interpolação aritmética de k{displaystyle k} termos meios entre dois números dados a{displaystyle a} e b{displaystyle b} tem primeiro termo a1=a{displaystyle a_{1}=a} e razão:
Com efeito, vemos que tomando n=k+2,{displaystyle n=k+2,} temos a fórmula do termo geral da P.A. nos garante que:
como queríamos.
Tipos de progressões aritméticas |
Progressão aritmética constante |
Uma progressão aritmética constante ou estacionária é toda progressão aritmética em que todos os termos são iguais, sendo que para isso a razão r tem que ser sempre igual a zero.[2][3]
Exemplos de progressões aritméticas constantes:
(5, 5, 5, 5, 5, 5, …){displaystyle (5,~5,~5,~5,~5,~5,~ldots )} tem razão r = 0
(0, 0, 0, 0, 0, 0, …){displaystyle (0,~0,~0,~0,~0,~0,~ldots )} tem razão r = 0
Progressão aritmética crescente |
Uma progressão aritmética crescente é toda progressão aritmética em que cada termo, a partir do segundo, é maior que o termo que o antecede, sendo que para isso a razão r tem que ser sempre maior que zero (r>0).[2][3]
Exemplos de progressões aritméticas crescentes:
(2, 4, 6, 8, 10, …){displaystyle (2,~4,~6,~8,~10,~ldots )} com razão r = 2
(3, 6, 9, 12, 15, …){displaystyle (3,~6,~9,~12,~15,~ldots )} com razão r = 3
Progressão aritmética decrescente |
Uma progressão aritmética decrescente é toda progressão aritmética em que cada termo, a partir do segundo, é menor que o termo que o antecede, sendo que para isso a razão r tem que ser sempre menor do que zero (r<0).[2][3]
Exemplos de progressões aritméticas decrescentes:
(6, 4, 2, 0, −2, …){displaystyle (6,~4,~2,~0,~-2,~ldots )} tem razão igual a -2
(6, 3, 0, −3, −6, …){displaystyle (6,~3,~0,~-3,~-6,~ldots )} tem razão igual a -3
Progressão aritmética de segunda ordem |
Uma progressão aritmética de segunda ordem é uma sequência de números (an){displaystyle (a_{n})} em que as diferenças entre os termos consecutivos Δan=an+1−an{displaystyle Delta a_{n}=a_{n+1}-a_{n}} forma uma progressão aritmética.[4] Por exemplo, a sequência:
uma progressão aritmética de segunda ordem, onde a diferença entre os termos consecutivos (Δan){displaystyle (Delta a_{n})} é uma progressão aritmética de primeiro termo Δa1=2{displaystyle Delta a_{1}=2} e razão r=2.{displaystyle r=2.}
De forma geral, uma progressão aritmética de ordem k≥2{displaystyle kgeq 2} é uma sequência de números em que as diferenças entre termos consecutivos formam uma progressão aritmética de ordem k−1.{displaystyle k-1.} [4][5].
Progressão aritmética de ordem qualquer |
Generalizando-se para o caso de uma sequência de ordem k, as fórmulas abaixo se aplicam para uma sequência de qualquer ordem.
O primeiro termo dessa sequência é aqui designado por r0,{displaystyle r_{0},} a razão primária (diferença entre dois termos consecutivos na sequência primária) por r1{displaystyle r_{1}} a razão secundária (diferença entre dois termos consecutivos na sequência formada pelas razões primárias) por r2,.{displaystyle r_{2},.} .. a razão de ordem k por rk.{displaystyle r_{k}.}
De modo semelhante ao fato de dois pontos serem suficientes para se determinar uma reta, com dois valores de uma sequência de ordem 1 (linear) e a posição que ocupam, é possível escrever a equação dessa sequência.
Para uma sequência de ordem 2, são necessários e suficientes 3 valores.
Em geral, para uma sequência de ordem k{displaystyle k} são necessários k+1{displaystyle k+1} valores.
Para uma sequência de ordem k, o termo geral é calculado por:
Nota: os coeficientes (n−1m){displaystyle {n-1 choose m}} são chamados coeficientes binomiais e são definidos como:
O coeficiente binomial (n−1m){displaystyle {n-1 choose m}} corresponde, em análise combinatória, ao número de combinações de n-1 elementos agrupados m a m.
A soma dos primeiros termos da sequência (Sn{displaystyle S_{n}}) é calculada por:
Exemplificando:
1) Determinar o termo geral da sequência {4, 9, 16, 25, 36, 49...}. Sendo an{displaystyle a_{n}} o n-ésimo termo dessa sequência. É possível ver que se trata de uma sequência de segunda ordem porque a razão secundária é constante (neste caso é igual a 2), como mostrado abaixo. Generalizando, em uma sequência de ordem k, a sua razão de ordem k é constante.
Aplicando-se a fórmula:
2) Encontrar a soma dos n primeiros termos dessa sequência (Sn{displaystyle S_{n}}).
De modo semelhante ao realizado acima:
3) Em uma sequência de terceira ordem, o sétimo termo é igual a 345, o décimo termo é igual a 1002, o décimo quinto termo é igual a 3377 e o vigésimo quinto termo é igual a 15627.
- a) Determine o trigésimo termo dessa sequência.
- b) Escreva a equação que determina o n-ésimo termo dessa sequência em função de n.{displaystyle n.}
a) Usando-se os dados fornecidos (em azul) na fórmula do rn:{displaystyle r_{n}:}
Como a7=345,{displaystyle a_{7}=345,} vem:
Da mesma forma, para os outros dados:
Desenvolvendo-se as expressões acima, obtemos esse sistema de equações lineares:
O conjunto solução desse sistema (S){displaystyle (S)} é:
Aplicando-se a fórmula para o caso n=30,{displaystyle n=30,} obtemos a30:{displaystyle a_{30}:}
Calculando-se a expressão acima, obtém-se:
- b) De modo semelhante ao usado no exemplo 1, agora que possuímos os valores das razões r0,r1,r2{displaystyle r_{0},r_{1},r_{2}} e r3,{displaystyle r_{3},} basta substituir os seus valores na fórmula de an:{displaystyle a_{n}:}
Obs. Uma das propriedades dos números binomiais, a relação de Sfifeel, diz que:
Isso permite verificar uma propriedade de autoconsistência das fórmulas:
Considerando-se também o princípio da indução matemática e uma das propriedades dos somatórios,
∑i=mn(xi±yi)=∑i=mnxi±∑i=mnyi{displaystyle sum _{i=m}^{n}(x_{i}pm y_{i})=sum _{i=m}^{n}x_{i}pm sum _{i=m}^{n}y_{i}} que, multiplicando-se os dois lados da equação por um número r,{displaystyle r,} esta se torna:
(∑i=mn(xi±yi))⋅r=(∑i=mnxi)⋅r±(∑i=mnyi)⋅r{displaystyle {Bigg (}sum _{i=m}^{n}(x_{i}pm y_{i}){Bigg )}cdot r={Bigg (}sum _{i=m}^{n}x_{i}{Bigg )}cdot rpm {Bigg (}sum _{i=m}^{n}y_{i}{Bigg )}cdot r}
esse fato já demonstra as fórmulas apresentadas sobre as sequências aritméticas de ordem n.{displaystyle n.} A fórmula é válida para n={1,2,⋯},{displaystyle n={1,2,cdots },} ou seja,
S0⏟0=S1−a1,{displaystyle {begin{matrix}underbrace {S_{0}} \0end{matrix}}=S_{1}-a_{1},}
S1(=a1)=S2−a2,{displaystyle S_{1}(=a_{1})=S_{2}-a_{2},}
⋯{displaystyle cdots }
Sn−1(=an−1)=Sn−an,{displaystyle S_{n-1}(=a_{n-1})=S_{n}-a_{n},} que equivale à expressão mostrada acima.
Progressões Aritmético-Geométricas |
São progressões aritméticas e geométricas ao mesmo tempo. Considere uma seqüência (an){displaystyle (a_{n})} cujo termo geral é an=(a0+nr)qn,{displaystyle a_{n}=(a_{0}+nr)q^{n},} com n∈N.{displaystyle nin mathbb {N} .}
Veja que se q=1{displaystyle q=1} ela se reduz à fórmula do termo geral de uma progressão aritmética (an=a0+nr{displaystyle a_{n}=a_{0}+nr}) e se r=0,{displaystyle r=0,} temos a fórmula de uma progressão geométrica, (an=a0⋅qn{displaystyle a_{n}=a_{0}cdot q^{n}}).
A fórmula para a soma dos n{displaystyle n} primeiros termos dessa sequência [6] é:
Sn=a0+q⋅(qn(a0+r⋅(1−n)−a0q−1)−a0+r)(q−1)2{displaystyle S_{n}={frac {a_{0}+qcdot (q^{n}(a_{0}+rcdot (1-n)-a_{0}q-1)-a0+r)}{(q-1)^{2}}}}
Ver também |
- Progressão geométrica
- Sequência
- Carl Friedrich Gauss
- Função
Referências
↑ ab Spiegel, Murray R. Teoria e problemas de álgebra 2 ed. [S.l.]: Bookman. p. 251. ISBN 9788536303406
↑ abcdefg Iezzi, G.; et al. (2012). Fundamentos de Matemática Elementar - Vol. 4 8 ed. [S.l.]: Atual. ISBN 9788535717488 !CS1 manut: Uso explícito de et al. (link)
↑ abcdef Medeiros, V. Z.; et al. (2013). Pré-Cálculo 3 ed. [S.l.]: Trilha. ISBN 9788522116126 !CS1 manut: Uso explícito de et al. (link)
↑ ab Lima, E. L.; et al. (2006). A Matemática do Ensino Médio - Volume 2 6 ed. [S.l.]: SBM. ISBN 8585818115 !CS1 manut: Uso explícito de et al. (link)
↑ Courant, Richard. Cálculo Diferencial e Integral. [S.l.]: Globo. p. 29
↑ Revista Eureka! nº 14 (página 34), da Sociedade Brasileira de Matemática. < http://www.obm.org.br/export/sites/default/revista_eureka/docs/eureka14.pdf >