Szereg geometryczny
Opis
Szereg geometryczny to „suma" wszystkich wyrazów nieskończonego ciągu geometrycznego: . Słowo „suma" jest w cudzysłowie, bo nieskończenie wielu liczb nie da się po prostu dodać. Robi się to inaczej: liczymy sumy coraz dłuższych początkowych fragmentów – , , i tak dalej – i patrzymy, do czego zbliżają się te liczby. Jeżeli ciąg sum częściowych ma skończoną granicę, to właśnie tę granicę nazywamy sumą szeregu (sumą wszystkich wyrazów ciągu) i oznaczamy literą . Czym jest granica ciągu, wyjaśnia hasło granica ciągu.
Najprostszy przykład: . Sumy częściowe to , , , – każda kolejna zabiera połowę odległości, która dzieli poprzednią od . Nigdy nie osiągną , ale zbliżają się do niej dowolnie blisko, więc suma szeregu wynosi .
O tym, czy suma istnieje, decyduje iloraz (przy ):
- – szereg jest zbieżny, a jego suma to ,
- – wszystkie wyrazy są równe , więc rośnie (albo maleje) bez ograniczenia – sumy nie ma,
- – sumy częściowe skaczą między a i do niczego się nie zbliżają – sumy nie ma,
- – wyrazy rosną co do wartości bezwzględnej, sumy częściowe uciekają coraz dalej – sumy nie ma.
Wyjątek, który trzeba znać: jeżeli , to wszystkie wyrazy są zerami i suma wynosi dla każdego . Dlatego w rozwiązaniach CKE pada zdanie „suma istnieje i jest różna od zera, więc i ".
W zadaniach maturalnych warunek zbieżności wraca w dwóch rolach. W zadaniu z parametrem warunek wyznacza dziedzinę równania albo nierówności – rozwiązanie spoza niej trzeba odrzucić. W zadaniu, w którym suma jest dana, warunek służy do odrzucenia jednego z ilorazów, które wychodzą z równania. Sumę skończonej liczby wyrazów omawia hasło suma ciągu geometrycznego, a sam ciąg i jego iloraz – hasło ciąg geometryczny.
Wzory
Tabela
| 1 | |||
| 2 | |||
| 3 | |||
| 4 | |||
| 5 | |||
| 6 | |||
| 7 | |||
| 8 | |||
Wykres
Przykład
Przykład 1 – ułamek okresowy jako szereg. Zamień na ułamek zwykły.
Ułamek to suma kawałków, z których każdy jest sto razy mniejszy od poprzedniego:
To szereg geometryczny o i . Ponieważ , suma istnieje:
Sprawdzenie dzieleniem pisemnym: Ten sam rachunek pokazuje, skąd się bierze reguła „okres przez tyle dziewiątek, ile cyfr ma okres".
Przykład 2 – równanie z szeregiem. Wyznacz wszystkie wartości , dla których suma szeregu istnieje i jest równa .
Najpierw iloraz: (każdy wyraz podzielony przez poprzedni daje to samo). Potem dziedzina z warunku zbieżności:
W tej dziedzinie suma wynosi
Równanie daje , czyli albo . Liczba nie należy do dziedziny – dla niej i szereg nie ma sumy. Zostaje . Sprawdzenie: , .
Przykład 3 – nierówność z szeregiem. Dla jakich suma szeregu istnieje i jest mniejsza od ?
Iloraz to , więc szereg jest zbieżny dla , czyli . W tej dziedzinie
Skoro , to mianownik jest dodatni i wolno przez niego pomnożyć bez zmiany znaku nierówności: , stąd . Część wspólna z dziedziną: .
Kto pominie dziedzinę i rozwiąże jak zwykłą nierówność wymierną, dostanie – a dla szereg w ogóle nie ma sumy.
Porównanie
| Przykład () | ||||
|---|---|---|---|---|
| Sumy | ||||
| Co robią | zbliżają się do | rosną bez końca | skaczą, nie zbliżają się do niczego | rosną bez końca (przy skaczą coraz szerzej) |
| Suma szeregu | nie istnieje | nie istnieje | nie istnieje | |
| Po angielsku | convergent series | divergent series | divergent series | divergent series |
Druga para, którą łatwo pomylić, to granica wyrazów i suma wyrazów. W szeregu same wyrazy dążą do , a ich suma wynosi . Po angielsku szereg geometryczny to „geometric series", a suma częściowa – „partial sum".
Typowe błędy
Brak warunku zbieżności. Uczeń od razu pisze i rozwiązuje równanie. Wychodzą dwa „rozwiązania", z których jedno daje , czyli szereg bez sumy. Warunek zapisz na początku i każde rozwiązanie z nim porównaj. W zasadach oceniania zadania z czerwca 2023 (komentarz autora niżej) rozwiązanie bez tego warunku dostaje najwyżej 2 punkty z 4.
Suma wyrazów zamiast sumy szeregu. „Suma wszystkich wyrazów nieskończonego ciągu" to , a nie . Wzór na zostawia w równaniu niewiadomą , której w zadaniu nie ma. Za taką pomyłkę w czerwcu 2026 przyznawano 0 punktów za całe zadanie. Uwaga w drugą stronę: w ciągu skończonym (np. „czterowyrazowy ciąg") „suma wszystkich wyrazów" to właśnie .
Zły iloraz w szeregu ze znakami. W szeregu iloraz to , a nie ani . Iloraz liczymy zawsze jako wyraz następny podzielony przez poprzedni i sprawdzamy na drugiej parze wyrazów: – zgadza się.
Iloraz zamiast w podciągu. Wyrazy o numerach nieparzystych tworzą ciąg geometryczny z ilorazem , więc ich suma to . Zapis liczy sumę wszystkich wyrazów, a nie tylko nieparzystych. To samo dotyczy kwadratów wyrazów (iloraz ) i sześcianów (iloraz ).
Nierówność bez części wspólnej z dziedziną. Rozwiązanie nierówności trzeba przeciąć z przedziałem, w którym szereg jest zbieżny. Bez tego w odpowiedzi zostają liczby, dla których suma nie istnieje (przykład 3).
„Wyrazy dążą do zera, więc suma też jest mała". Granica wyrazów to , suma to zupełnie inna liczba. W szeregu wyrazy dążą do , a suma wynosi . Do sumy prowadzi wzór , nie granica wyrazu ogólnego.
Sprawdź się
Szereg geometryczny ma pierwszy wyraz i iloraz . Uzupełnij tabelę sum częściowych i sumę szeregu.
| 1 | |
| 2 | |
| 3 | |
| 4 | |
| suma |
Suma szeregu wynosi .
Szereg ma iloraz , więc jego suma .
Szereg jest zbieżny dokładnie wtedy, gdy .
Ułamek okresowy zapisany jako ułamek nieskracalny to , gdzie .
Suma szeregu o pierwszym wyrazie wynosi . Iloraz tego szeregu to .
Równanie ma rozwiązanie .
Najczęściej zadawane pytania
Czym różni się suma szeregu od sumy n początkowych wyrazów?
Suma to zwykłe dodawanie skończenie wielu liczb i istnieje zawsze. Suma szeregu to granica, do której zbliżają się kolejne sumy , i istnieje tylko wtedy, gdy ta granica jest skończona – dla szeregu geometrycznego przy (albo ). W treści zadania rozpoznasz to po słowach „nieskończony ciąg" i „suma wszystkich wyrazów". Zależność między nimi: .
Dlaczego szereg 1 − 1 + 1 − 1 + … nie ma sumy, skoro wyrazy się znoszą?
Bo sumy częściowe wynoszą na zmianę i i nie zbliżają się do żadnej jednej liczby. Grupując wyrazy po dwa, można „dostać" zarówno , jak i – i to właśnie pokazuje, że takiego dodawania nie wolno wykonywać. Dla warunek nie jest spełniony, więc szereg jest rozbieżny.
Czy 0,(9) to naprawdę 1?
Tak. to szereg o i , więc jego suma wynosi . To nie przybliżenie: ta sama liczba ma po prostu dwa zapisy dziesiętne.
Jak zamienić ułamek okresowy na zwykły?
Zapisz go jako szereg: , gdzie iloraz to (dwie cyfry okresu – dwa zera). Ze wzoru na sumę wychodzi . Gdy okres nie zaczyna się od razu po przecinku, np. , oddziel część nieokresową: .
Czy wzór na sumę szeregu jest na karcie wzorów?
Tak. Na karcie „Wybrane wzory matematyczne" w rozdziale 8 „Ciągi" jest akapit „Suma wyrazów nieskończonego ciągu geometrycznego" ze wzorem i założeniem . Karta nie powie jednak, co z tego założenia wynika w konkretnym zadaniu – dziedzinę i odrzucanie rozwiązań robisz sam.
Co, jeśli pierwszy wyraz jest równy zero?
Wtedy wszystkie wyrazy są zerami, a suma szeregu wynosi niezależnie od ilorazu. Dlatego warunek jest konieczny tylko dla . W zadaniach maturalnych suma zwykle jest dana i różna od zera, co od razu wyklucza – warto to jednym zdaniem zapisać w rozwiązaniu, tak jak robi to CKE.
Czy szereg, którego wyrazy dążą do zera, zawsze ma sumę?
Dla szeregu geometrycznego tak: jeżeli , wyrazy dążą do zera dokładnie wtedy, gdy , a to jest warunek zbieżności. Dla innych szeregów to nieprawda – na przykład nie ma skończonej sumy, choć jego wyrazy dążą do zera. Takie szeregi są poza wymaganiami matury.
Powiązane zagadnienia
Zagadnienia z tego samego obszaru matury – warto je powtórzyć razem: