Wszystkie zagadnienia: Funkcje i ciągi
średni matura rozszerzona z matematykiszereg geometrycznysuma szereguzbieżność

Szereg geometryczny

01

Opis

Szereg geometryczny to „suma" wszystkich wyrazów nieskończonego ciągu geometrycznego: a1+a1q+a1q2+…a_1 + a_1 q + a_1 q^2 + \ldots. 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 – S1=a1S_1 = a_1, S2=a1+a2S_2 = a_1 + a_2, S3=a1+a2+a3S_3 = a_1 + a_2 + a_3 i tak dalej – i patrzymy, do czego zbliżają się te liczby. Jeżeli ciąg sum częściowych (Sn)(S_n) ma skończoną granicę, to właśnie tę granicę nazywamy sumą szeregu (sumą wszystkich wyrazów ciągu) i oznaczamy literą SS. Czym jest granica ciągu, wyjaśnia hasło granica ciągu.

Najprostszy przykład: 1+12+14+18+…1 + \frac{1}{2} + \frac{1}{4} + \frac{1}{8} + \ldots. Sumy częściowe to 11, 1,51{,}5, 1,751{,}75, 1,875,…1{,}875, \ldots – każda kolejna zabiera połowę odległości, która dzieli poprzednią od 22. Nigdy nie osiągną 22, ale zbliżają się do niej dowolnie blisko, więc suma szeregu wynosi S=2S = 2.

O tym, czy suma istnieje, decyduje iloraz qq (przy a1≠0a_1 \neq 0):

  • ∣q∣<1\lvert q \rvert < 1 – szereg jest zbieżny, a jego suma to S=a11−qS = \frac{a_1}{1 - q},
  • q=1q = 1 – wszystkie wyrazy są równe a1a_1, więc Sn=n⋅a1S_n = n \cdot a_1 rośnie (albo maleje) bez ograniczenia – sumy nie ma,
  • q=−1q = -1 – sumy częściowe skaczą między a1a_1 a 00 i do niczego się nie zbliżają – sumy nie ma,
  • ∣q∣>1\lvert q \rvert > 1 – wyrazy rosną co do wartości bezwzględnej, sumy częściowe uciekają coraz dalej – sumy nie ma.

Wyjątek, który trzeba znać: jeżeli a1=0a_1 = 0, to wszystkie wyrazy są zerami i suma wynosi 00 dla każdego qq. Dlatego w rozwiązaniach CKE pada zdanie „suma istnieje i jest różna od zera, więc a1≠0a_1 \neq 0 i ∣q∣<1\lvert q \rvert < 1".

W zadaniach maturalnych warunek zbieżności wraca w dwóch rolach. W zadaniu z parametrem xx warunek ∣q∣<1\lvert q \rvert < 1 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.

02

Wzory

Suma szeregu geometrycznego karta CKE
S=lim⁡n→∞Sn=a11−qS = \lim_{n \to \infty} S_n = \frac{a_1}{1 - q}
Wzór obowiązuje, gdy ∣q∣<1\lvert q \rvert < 1. Na karcie stoi pod nagłówkiem „Suma wyrazów nieskończonego ciągu geometrycznego".
Warunek zbieżności
∣q∣<1\lvert q \rvert < 1
Dla a1≠0a_1 \neq 0 suma istnieje wtedy i tylko wtedy, gdy ten warunek jest spełniony.
Suma częściowa przez sumę szeregu
Sn=S⋅(1−qn)S_n = S \cdot (1 - q^{n})
Wynika ze wzoru na SnS_n z karty: Sn=a11−q⋅(1−qn)S_n = \frac{a_1}{1 - q} \cdot (1 - q^n).
Reszta szeregu
S−Sn=S⋅qnS - S_n = S \cdot q^{n}
O ile suma częściowa różni się od sumy szeregu. Przy q<0q < 0 reszta zmienia znak co krok.
Wyrazy o numerach nieparzystych
a1+a3+a5+…=a11−q2a_1 + a_3 + a_5 + \ldots = \frac{a_1}{1 - q^{2}}
Ciąg a1,a3,a5,…a_1, a_3, a_5, \ldots jest geometryczny z ilorazem q2q^2. Dla parzystych: a21−q2\frac{a_2}{1 - q^2}.
Ułamek okresowy
0,(ab)=ab990{,}(ab) = \frac{ab}{99}
abab to liczba zapisana cyframi okresu (np. 2727), nie iloczyn. Okres jednocyfrowy – mianownik 99, trzycyfrowy – 999999.
03

Tabela

Szereg 12−6+3−32+…12 - 6 + 3 - \frac{3}{2} + \ldots, czyli a1=12a_1 = 12, q=−12q = -\frac{1}{2}, suma S=121+12=8S = \frac{12}{1 + \frac{1}{2}} = 8
nnana_nSnS_nS−SnS - S_n
112121212−4-4
2−6-66622
33399−1-1
4−32-\frac{3}{2}7,57{,}50,50{,}5
534\frac{3}{4}8,258{,}25−0,25-0{,}25
6−38-\frac{3}{8}7,8757{,}8750,1250{,}125
7316\frac{3}{16}8,06258{,}0625−0,0625-0{,}0625
8−332-\frac{3}{32}7,968757{,}968750,031250{,}03125
nn12⋅(−12)n−112 \cdot \left(-\frac{1}{2}\right)^{n-1}8⋅(1−(−12)n)8 \cdot \left(1 - \left(-\frac{1}{2}\right)^{n}\right)8⋅(−12)n8 \cdot \left(-\frac{1}{2}\right)^{n}
04

Wykres

Sumy częściowe SnS_n szeregu 12−6+3−32+…12 - 6 + 3 - \frac{3}{2} + \ldots skaczą wokół S=8S = 8 i zbliżają się do tej prostej
ny246810246810120 S₁ = 12 S₂ = 6 S₃ = 9
05

Przykład

Przykład 1 – ułamek okresowy jako szereg. Zamień 0,(27)0{,}(27) na ułamek zwykły.

Ułamek 0,272727…0{,}272727\ldots to suma kawałków, z których każdy jest sto razy mniejszy od poprzedniego:

0,(27)=27100+2710 000+271 000 000+…0{,}(27) = \frac{27}{100} + \frac{27}{10\,000} + \frac{27}{1\,000\,000} + \ldots

To szereg geometryczny o a1=27100a_1 = \frac{27}{100} i q=1100q = \frac{1}{100}. Ponieważ ∣q∣<1\lvert q \rvert < 1, suma istnieje:

S=271001−1100=2710099100=2799=311S = \frac{\frac{27}{100}}{1 - \frac{1}{100}} = \frac{\frac{27}{100}}{\frac{99}{100}} = \frac{27}{99} = \frac{3}{11}

Sprawdzenie dzieleniem pisemnym: 3:11=0,2727…3 : 11 = 0{,}2727\ldots Ten sam rachunek pokazuje, skąd się bierze reguła „okres przez tyle dziewiątek, ile cyfr ma okres".

Przykład 2 – równanie z szeregiem. Wyznacz wszystkie wartości x≠0x \neq 0, dla których suma szeregu x−3+9x−27x2+…x - 3 + \frac{9}{x} - \frac{27}{x^2} + \ldots istnieje i jest równa 44.

Najpierw iloraz: q=−3x=−3xq = \frac{-3}{x} = -\frac{3}{x} (każdy wyraz podzielony przez poprzedni daje to samo). Potem dziedzina z warunku zbieżności:

∣−3x∣<1  ⟺  ∣x∣>3  ⟺  x∈(−∞,−3)∪(3,+∞)\left\lvert -\frac{3}{x} \right\rvert < 1 \iff \lvert x \rvert > 3 \iff x \in (-\infty, -3) \cup (3, +\infty)

W tej dziedzinie suma wynosi

S=x1+3x=x2x+3S = \frac{x}{1 + \frac{3}{x}} = \frac{x^2}{x + 3}

Równanie x2x+3=4\frac{x^2}{x + 3} = 4 daje x2−4x−12=0x^2 - 4x - 12 = 0, czyli x=6x = 6 albo x=−2x = -2. Liczba −2-2 nie należy do dziedziny – dla niej q=32q = \frac{3}{2} i szereg nie ma sumy. Zostaje x=6x = 6. Sprawdzenie: q=−12q = -\frac{1}{2}, S=61+12=4S = \frac{6}{1 + \frac{1}{2}} = 4.

Przykład 3 – nierówność z szeregiem. Dla jakich xx suma szeregu 1+2x+4x2+8x3+…1 + 2x + 4x^2 + 8x^3 + \ldots istnieje i jest mniejsza od 22?

Iloraz to q=2xq = 2x, więc szereg jest zbieżny dla ∣2x∣<1\lvert 2x \rvert < 1, czyli x∈(−12,12)x \in \left(-\frac{1}{2}, \frac{1}{2}\right). W tej dziedzinie

S=11−2x<2S = \frac{1}{1 - 2x} < 2

Skoro ∣2x∣<1\lvert 2x \rvert < 1, to mianownik 1−2x1 - 2x jest dodatni i wolno przez niego pomnożyć bez zmiany znaku nierówności: 1<2−4x1 < 2 - 4x, stąd x<14x < \frac{1}{4}. Część wspólna z dziedziną: x∈(−12,14)x \in \left(-\frac{1}{2}, \frac{1}{4}\right).

Kto pominie dziedzinę i rozwiąże 11−2x<2\frac{1}{1 - 2x} < 2 jak zwykłą nierówność wymierną, dostanie x∈(−∞,14)∪(12,+∞)x \in \left(-\infty, \frac{1}{4}\right) \cup \left(\frac{1}{2}, +\infty\right) – a dla x=−1x = -1 szereg 1−2+4−8+…1 - 2 + 4 - 8 + \ldots w ogóle nie ma sumy.

06

Porównanie

∣q∣<1\lvert q \rvert < 1q=1q = 1q=−1q = -1∣q∣>1\lvert q \rvert > 1
Przykład (a1=1a_1 = 1)1+12+14+…1 + \frac{1}{2} + \frac{1}{4} + \ldots1+1+1+…1 + 1 + 1 + \ldots1−1+1−…1 - 1 + 1 - \ldots1+2+4+…1 + 2 + 4 + \ldots
Sumy SnS_n2−12n−12 - \frac{1}{2^{n-1}}nn1,0,1,0,…1, 0, 1, 0, \ldots2n−12^n - 1
Co robią SnS_nzbliżają się do 22rosną bez końcaskaczą, nie zbliżają się do niczegorosną bez końca (przy q<−1q < -1 skaczą coraz szerzej)
Suma szereguS=2S = 2nie istniejenie istniejenie istnieje
Po angielskuconvergent seriesdivergent seriesdivergent seriesdivergent series

Druga para, którą łatwo pomylić, to granica wyrazów i suma wyrazów. W szeregu 1+12+14+…1 + \frac{1}{2} + \frac{1}{4} + \ldots same wyrazy dążą do 00, a ich suma wynosi 22. Po angielsku szereg geometryczny to „geometric series", a suma częściowa – „partial sum".

07

Typowe błędy

Brak warunku zbieżności. Uczeń od razu pisze S=a11−qS = \frac{a_1}{1 - q} i rozwiązuje równanie. Wychodzą dwa „rozwiązania", z których jedno daje ∣q∣≥1\lvert q \rvert \geq 1, czyli szereg bez sumy. Warunek ∣q∣<1\lvert q \rvert < 1 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 nn wyrazów zamiast sumy szeregu. „Suma wszystkich wyrazów nieskończonego ciągu" to S=a11−qS = \frac{a_1}{1 - q}, a nie Sn=a1⋅1−qn1−qS_n = a_1 \cdot \frac{1 - q^n}{1 - q}. Wzór na SnS_n zostawia w równaniu niewiadomą nn, 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 SnS_n.

Zły iloraz w szeregu ze znakami. W szeregu x−3+9x−…x - 3 + \frac{9}{x} - \ldots iloraz to −3x-\frac{3}{x}, a nie 3x\frac{3}{x} ani x−3\frac{x}{-3}. Iloraz liczymy zawsze jako wyraz następny podzielony przez poprzedni i sprawdzamy na drugiej parze wyrazów: 9x:(−3)=−3x\frac{9}{x} : (-3) = -\frac{3}{x} – zgadza się.

Iloraz qq zamiast q2q^2 w podciągu. Wyrazy o numerach nieparzystych a1,a3,a5,…a_1, a_3, a_5, \ldots tworzą ciąg geometryczny z ilorazem q2q^2, więc ich suma to a11−q2\frac{a_1}{1 - q^2}. Zapis a11−q\frac{a_1}{1 - q} liczy sumę wszystkich wyrazów, a nie tylko nieparzystych. To samo dotyczy kwadratów wyrazów (iloraz q2q^2) i sześcianów (iloraz q3q^3).

Nierówność bez części wspólnej z dziedziną. Rozwiązanie nierówności S<2S < 2 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 00, suma to zupełnie inna liczba. W szeregu 12−6+3−…12 - 6 + 3 - \ldots wyrazy dążą do 00, a suma wynosi 88. Do sumy prowadzi wzór a11−q\frac{a_1}{1 - q}, nie granica wyrazu ogólnego.

08

Sprawdź się

Szereg geometryczny ma pierwszy wyraz a1=16a_1 = 16 i iloraz q=12q = \frac{1}{2}. Uzupełnij tabelę sum częściowych i sumę szeregu.

nnSnS_n
11616
2
3
43030
suma SS

Suma szeregu 10+5+2,5+…10 + 5 + 2{,}5 + \ldots wynosi S=S = .

Szereg 5−5+5−5+…5 - 5 + 5 - 5 + \ldots ma iloraz q=q = , więc jego suma .

Szereg 1+x4+x216+…1 + \frac{x}{4} + \frac{x^2}{16} + \ldots jest zbieżny dokładnie wtedy, gdy ∣x∣<\lvert x \rvert < .

Ułamek okresowy 0,(36)0{,}(36) zapisany jako ułamek nieskracalny to 4b\frac{4}{b}, gdzie b=b = .

Suma szeregu o pierwszym wyrazie 22 wynosi 88. Iloraz tego szeregu to q=q = .

Równanie x+x2+x3+…=4x + x^2 + x^3 + \ldots = 4 ma rozwiązanie x=x = .

09

Najczęściej zadawane pytania

Czym różni się suma szeregu od sumy n początkowych wyrazów?

Suma SnS_n to zwykłe dodawanie skończenie wielu liczb i istnieje zawsze. Suma szeregu SS to granica, do której zbliżają się kolejne sumy SnS_n, i istnieje tylko wtedy, gdy ta granica jest skończona – dla szeregu geometrycznego przy ∣q∣<1\lvert q \rvert < 1 (albo a1=0a_1 = 0). W treści zadania rozpoznasz to po słowach „nieskończony ciąg" i „suma wszystkich wyrazów". Zależność między nimi: Sn=S⋅(1−qn)S_n = S \cdot (1 - q^n).

Dlaczego szereg 1 − 1 + 1 − 1 + … nie ma sumy, skoro wyrazy się znoszą?

Bo sumy częściowe wynoszą na zmianę 11 i 00 i nie zbliżają się do żadnej jednej liczby. Grupując wyrazy po dwa, można „dostać" zarówno 00, jak i 11 – i to właśnie pokazuje, że takiego dodawania nie wolno wykonywać. Dla q=−1q = -1 warunek ∣q∣<1\lvert q \rvert < 1 nie jest spełniony, więc szereg jest rozbieżny.

Czy 0,(9) to naprawdę 1?

Tak. 0,(9)=910+9100+…0{,}(9) = \frac{9}{10} + \frac{9}{100} + \ldots to szereg o a1=910a_1 = \frac{9}{10} i q=110q = \frac{1}{10}, więc jego suma wynosi 0,91−0,1=0,90,9=1\frac{0{,}9}{1 - 0{,}1} = \frac{0{,}9}{0{,}9} = 1. To nie przybliżenie: ta sama liczba ma po prostu dwa zapisy dziesiętne.

Jak zamienić ułamek okresowy na zwykły?

Zapisz go jako szereg: 0,(27)=27100+2710 000+…0{,}(27) = \frac{27}{100} + \frac{27}{10\,000} + \ldots, gdzie iloraz to 1100\frac{1}{100} (dwie cyfry okresu – dwa zera). Ze wzoru na sumę wychodzi 2799=311\frac{27}{99} = \frac{3}{11}. Gdy okres nie zaczyna się od razu po przecinku, np. 0,1(6)0{,}1(6), oddziel część nieokresową: 0,1+0,0(6)=110+110⋅69=160{,}1 + 0{,}0(6) = \frac{1}{10} + \frac{1}{10} \cdot \frac{6}{9} = \frac{1}{6}.

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 S=lim⁡n→∞Sn=a11−qS = \lim_{n \to \infty} S_n = \frac{a_1}{1 - q} i założeniem ∣q∣<1\lvert q \rvert < 1. 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 00 niezależnie od ilorazu. Dlatego warunek ∣q∣<1\lvert q \rvert < 1 jest konieczny tylko dla a1≠0a_1 \neq 0. W zadaniach maturalnych suma zwykle jest dana i różna od zera, co od razu wyklucza a1=0a_1 = 0 – 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 a1≠0a_1 \neq 0, wyrazy dążą do zera dokładnie wtedy, gdy ∣q∣<1\lvert q \rvert < 1, a to jest warunek zbieżności. Dla innych szeregów to nieprawda – na przykład 1+12+13+14+…1 + \frac{1}{2} + \frac{1}{3} + \frac{1}{4} + \ldots nie ma skończonej sumy, choć jego wyrazy dążą do zera. Takie szeregi są poza wymaganiami matury.

↗

Powiązane zagadnienia