Zadanie 1.
Dany jest ciąg (an), w którym a2 = 6, a5 = 15, a11 = 41. Czy (an) może być ciągiem arytmetycznym?
Zadanie 2.
Ciąg (an) jest arytmetyczny. Wiadomo, że a7 = 421 i a16 = 124. Znaleźć a1 i różnicę r.
Zadanie 3.
Jak zwykle Sk oznacza sumę k początkowych wyrazów badanego ciągu. Znaleźć wszystkie ciągi arytmetyczne (an), w których S14 = 105 i S16 = 136.
\(S_{14} = 14a_1 + \frac{13\cdot 14}{2}r =14a_1 + 91r\),
\(S_{16} = 16a_1 + \frac{15\cdot 16}{2}r =16a_1 + 120r\).
Wobec tego chcemy rozwiązać układ równań 14a1 + 91r = 105, 16a1 + 120r = 136. Odejmując pierwsze od drugiego, dostajemy 2a1 + 29r = 31. Otrzymane równanie mnożymy przez 7 i odejmujemy od pierwszego. Dostaniemy − 112r = − 112, więc r = 1. Stąd obliczamy a1 = 1. Otrzymaliśmy więc ciąg liczb naturalnych an = n! Na razie wiemy tylko, że żaden inny ciąg nie spełnia warunków zadania, ale łatwo sprawdzić, że ten ciąg je spełnia. Wobec tego jest jedynym rozwiązaniem.
Zadanie 4.
Dany jest ciąg (an), w którym a1 = 3, a3 = 15, a7 = 375, a9 = 1875. Czy (an) może być ciągiem geometrycznym?
Zadanie 5.
Znaleźć wszystkie ciągi geometryczne (an) o wyrazach całkowitych, dla których zachodzi a3a8 = 2048. Ile jest ciągów o wyrazach rzeczywistych spełniających warunki zadania?
Ponieważ 39 > 2048, to | q | < 3. Oczywiście \(q \neq 0\), więc pozostają do sprawdzenia 4 możliwości. Sprawdźmy:
1) q = 2 - wtedy a1 = 2 lub a1 = − 2 i obie te wartości definiują ciąg spełniający warunki zadania;
2) q = 1 - wtedy \(a_1 = \pm \sqrt{2048}\), a to nie jest liczba całkowita;
3) q = − 1 - wtedy \(a_1^2 = -2048 < 0\), a to niemożliwe;
4) q = − 2 - ten sam problem, co w punkcie 3.
Wobec tego są dwa ciągi spełniające warunki zadania, oba o ilorazie q = 2, jeden z a1 = 2, drugi z a1 = − 2.
Ciągów o wyrazach rzeczywistych, spełniających daną równość, jest nieskończenie wiele - dla dowolnie wybranego a1 dostajemy taki ciąg, biorąc iloraz równy \(\sqrt[9]{\frac{2048}{a_1^2}}\).
Zadanie 6.
Znaleźć wszystkie ciągi geometryczne (an), dla których zachodzi a1a13 = a4a9.
Wyrażając elementy ciągu przez a1 i q dostajemy równość \(a_1^2 q^{12} = a_1^2 q^{11}\). Możemy założyć, że \(a_1 \neq 0\) i \(q \neq 0\), ponieważ w przeciwnym przypadku dostalibyśmy ciąg zerowy lub prawie zerowy. Wobec tego wolno nam podzielić równość stronami przez \(a_1^2 q^{11}\). Dostajemy q = 1, czyli tylko ciąg stały może spełniać warunki zadania. Widać również, że każdy ciąg stały jest dobry - a1 może być dowolną liczbą rzeczywistą. Wobec tego nieskończenie wiele ciągów spełnia warunki zadania.
Zadanie 7.
Znaleźć wszystkie ciągi geometryczne (an) o wyrazach całkowitych, dla których zachodzi a1a6 = 4 i a2a3a4a5 = 16.
Zajmijmy się więc równością \(a_1^2 q^5 = 4\). Oczywiście \(|q| \leq 1\), ponieważ w przeciwnym przypadku \(|q^5| \geq 2^5 > 4\). Gdyby q = − 1, to \(a_1^2 = -4 < 0\), co jest niemożliwe. Pozostaje więc q = 1, i \(a_1^2 = 4\) - w tym przypadku otrzymujemy więc dwa ciągi, jeden dla a1 = 2, drugi dla a1 = − 2.
Zadanie 8.
Znaleźć wszystkie ciągi geometryczne (an), dla których zachodzi a1a8 = 3 i a4a6a7 = 9.
Zadanie 9.
Znaleźć wszystkie ciągi geometryczne (an), dla których zachodzi a2a6a14 = 111 i a4a7a11 = 74.
Okazuje się, że warunki podane w zadaniu przypisują temu samemu wyrażeniu dwie różne wartości - otrzymujemy sprzeczność, czyli szukany ciąg nie istnieje.
Zadanie 10.
Wykazać, że jeśli (an) jest ciągiem geometrycznym, to dla dowolnych liczb naturalnych k,m takich, że m < k zachodzi \(a_{k-m}a_{k+m} = a_k^2\).
Zadanie 11.
Wyznaczyć wszystkie ciągi (skończone i nieskończone) o wyrazach dodatnich, które jednocześnie są arytmetyczne i geometryczne.
Jeśli ciąg ma długość 1 lub 2, to spełnia definicję ciągu arytmetycznego i ciągu geometrycznego.
Załóżmy, że ciąg ma przynajmniej 3 wyrazy. Weźmy trzy kolejne wyrazy z dowolnego miejsca w ciągu. Oznaczmy je a, b i c.
Z definicji ciągu arytmetycznego b − a = c − b, czyli \(b = \frac{a+c}{2}\). Z definicji ciągu geometrycznego \(\frac{b}{a} = \frac{c}{b}\), czyli \(b = \sqrt{ac}\). Wobec tego \(\sqrt{ac} = \frac{a+c}{2}\). Po prostych przekształceniach \(a - 2\sqrt{ac} + c = 0\), a więc \((\sqrt{a} - \sqrt{c})^2 = 0\), czyli \(\sqrt{a} = \sqrt{c}\). (Można też skorzystać z nierówności średnich.) Stąd oczywiście a = b = c.
Ponieważ dowolna trójka kolejnych wyrazów ciągu składa się z równych liczb, to wszystkie wyrazy w tym ciągu są równe.
A jaka jest odpowiedź na to pytanie, jeśli dopuścimy do rozważań ciągi o wyrazach ujemnych?
Zadanie 12.
Dany jest trójkąt prostokątny o polu 24, którego długości boków tworzą ciąg arytmetyczny. Wyznaczyć długości boków tego trójkąta.
Z definicji ciągu arytmetycznego b − a = c − b, czyli (2) 2b = a + c.
Mamy jeszcze trzecią informację - twierdzenie Pitagorasa: (3) a2 + b2 = c2.
Teraz trzeba tylko rozwiązać układ równań...
Przekształcając (3), dostajemy b2 = (c − a)(c + a). Podstawiając z (2) 2b zamiast c + a, mamy b2 = 2b(c − a), czyli \(\frac{b}{2} = c-a\). Odejmując tę równość od (2), otrzymujemy \(a = \frac{3}{4}b\).
Teraz możemy podstawić to do (1) i dostaniemy \(\frac{3}{2}b^2 = 24\), czyli b2 = 16, a więc b = 4 (długość boku trójkąta musi być dodatnia, więc rozwiązanie ujemne odpada).
Stąd \(a = \frac{3}{4}b = 3\) i c = 5 - otrzymaliśmy w rozwiązaniu najbardziej znaną trójkę pitagorejską.
Zadanie 13.
Wyznaczyć długości boków trapezu, jeśli wiadomo, że dwa jego kąty są proste, najkrótszy bok ma długość 1 i długości kolejnych (na obwodzie) boków tworzą ciąg geometryczny.
1. najkrótszy bok jest podstawą,
2. najkrótszy bok to wysokość trapezu.
Warunek, że dwa kąty trapezu są proste, można przetłumaczyć na związek między długościami boków, korzystając z twierdzenia Pitagorasa.
1. Najkrótszy bok jest podstawą. Wówczas drugim bokiem w ciągu geometrycznym jest ten prostopadły do podstaw - oznaczmy jego długość przez a. Zauważmy, że a jest wobec tego ilorazem ciągu geometrycznego. Stąd długość drugiej podstawy to i czwartego boku to odpowiednio a2 i a3.
Z twierdzenia Pitagorasa otrzymujemy równość a2 + (a2 − 1)2 = a6, którą można łatwo przekształcić do a6 − a4 + a2 − 1 = 0, czyli (a2 − 1)(a4 + 1) = 0. Ponieważ równanie a4 + 1 = 0 nie ma rozwiązań w zbiorze liczb rzeczywistych, to jedynymi możliwymi wartościami a są rozwiązania równania a2 − 1 = 0, czyli 1 i − 1. Oczywiście a = − 1 nie może być długością boku trapezu, więc pozostaje tylko rozwiązanie a = 1 - trapez jest kwadratem o boku 1.
2. Najkrótszy bok to wysokość trapezu. Wówczas, jeśli długość krótszej podstawy oznaczymy przez a, to długości drugiej krawędzi bocznej i drugiej podstawy wynoszą odpowiednio a2 i a3.
Tak jak poprzednio, korzystamy z twierdzenia Pitagorasa, otrzymując równość 1 + (a3 − a)2 = a4, czyli po przekształceniach (a2 − 1)(a4 − 2a2 − 1) = 0. W tym przypadku również dostajemy rozwiązanie a = 1. Oprócz tego, rozwiązując równanie a4 − 2a2 − 1 = 0, otrzymujemy jeden dodatni pierwiastek \(a = \sqrt{1+\sqrt{2}}\), który także jest rozwiązaniem zadania.
Zadanie 14.
Dany jest trójkąt prostokątny o obwodzie \(\sqrt{3} + 1\). Wiadomo, że miary jego kątów tworzą ciąg arytmetyczny. Obliczyć długości boków tego trójkąta.
Kątem o największej mierze w tym trójkącie jest kąt prosty, więc ciąg \((\alpha, \beta, 90^{\circ})\) jest ciągiem arytmetycznym. Stąd \(\beta = \frac{\alpha + 90^{\circ}}{2}\). Ponadto \(\alpha = 90^{\circ} - \beta\).
Wobec tego \(\beta = \frac{180^{\circ} - \beta}{2}\), a więc \(\beta = 60^{\circ}\), czyli \(\alpha = 30^{\circ}\).
Teraz przez a i b oznaczmy długości przyprostokątnych, leżące naprzeciw kątów α i β odpowiednio, a przez c długość przeciwprostokątnej.
Wiemy, że \(a + b + c = 1 + \sqrt{3}\), a ponadto \(a = c\cdot \sin(\alpha) = \frac{c}{2}\) oraz \(b = c\cdot \sin(\beta) = \frac{c\sqrt{3}}{2}\).
Stąd \(a + b + c = c(\frac{1}{2} + \frac{\sqrt{3}}{2} + 1) = c(\frac{3 + \sqrt{3}}{2}) = \frac{c\sqrt{3}}{2}(1 + \sqrt{3})\). Wobec tego \(c = \frac{2\sqrt{3}}{3}\), \(a = \frac{\sqrt{3}}{3}\) i b = 1.
Zadanie 15.
Niech a, b, c oznaczają boki pewnego trójkąta, natomiast h - jego wysokość opuszczoną na bok a. Ciąg (a,b,c,h) jest ciągiem geometrycznym. Wykazać, że ten trójkąt jest prostokątny.
(*) Dowód: oznaczmy przez hc wysokość spuszczoną z wierzchołka, w którym sąsiadują boki a i b na bok c. Wówczas \(2P = c\cdot h_c\), czyli hc = b. A to oznacza, że bok b jest tym samym, co wysokość spuszczona na bok c, czyli znajduje się pod kątem prostym do boku c.
Zadanie 16.
Ciąg \((a_1,\ldots,a_n)\) jest ciągiem geometrycznym o ilorazie q. Wyznaczyć sumę \(T_n= a_1 + 2a_2 + 3a_3 + \ldots + na_n\) w zależności od a1 i q.
Możemy wypisać sumowane wyrazy jak na rysunku:
Kolejne rzędy to ciągi geometryczne o ilorazie q, zaczynające się od qk dla \(0 \leq k \leq n-1\), a kończące na qn − 1. Suma wyrazów w rzędzie zaczynającym się od qk jest równa \(q^k+\ldots + q^{n-1} = q^k(1+q+\ldots + q^{n-k-1}) = q^k \frac{q^{n-k}-1}{q-1} = \frac{q^n-q^k}{q-1}\).
Wobec tego \(T_n = \sum_{k=0}^{n-1} \frac{q^n-q^k}{q-1} = \frac{nq^n}{q-1} - \frac{1}{q-1}\sum_{k=0}^{n-1} q^k = \frac{nq^n}{q-1} - \frac{q^n-1}{(q-1)^2}\).
Mnożąc otrzymany wzór przez liczbę c, otrzymujemy Tn dla ciągu geometrycznego o ilorazie q i a1 = c.
Zadanie 17.
Liczby a, b i c są dodatnie, a ich kwadraty tworzą ciąg arytmetyczny. Wykazać, że liczby \(x_1 = \frac{1}{b+c}\), \(x_2 = \frac{1}{c+a}\), \(x_3 = \frac{1}{a+b}\) również tworzą ciąg arytmetyczny.
Wiemy, że liczby a2, b2 i c2 tworzą ciąg arytmetyczny. Stąd b2 − a2 = c2 − b2, więc również \(r_1 = \frac{b^2-a^2}{(a+c)(b+c)(a+b)} = \frac{c^2-b^2}{(a+c)(b+c)(a+b)} = r_2\), co należało udowodnić.
Zadanie 18.
Liczby dodatnie a, b i c tworzą ciąg arytmetyczny. Udowodnić, że liczby \(\frac{1}{\sqrt{b}+\sqrt{c}}\), \(\frac{1}{\sqrt{c}+\sqrt{a}}\) i \(\frac{1}{\sqrt{a}+\sqrt{b}}\) również tworzą ciąg arytmetyczny.
Zadanie 19.
Niech (an) będzie ciągiem arytmetycznym. Przez Sk oznaczmy sumę początkowych k wyrazów ciągu (an). Udowodnić, że zachodzi wzór S3n = 3S2n − 3Sn.
\(3S_{2n} - 3S_n = 3(\frac{2n(a_1 + a_{2n})}{2} - \frac{n(a_1+a_n)}{2}) = \frac{3n(a_1 + 2a_{2n} - a_n)}{2}\).
Ponieważ ciąg an jest arytmetyczny, to a3n − a2n = a2n − an, więc 2a2n − an = a3n. Wobec tego powyższe wyrażenie jest równe \(\frac{3n(a_1 + a_{3n})}{2} = S_{3n}\).
Jakie inne ciekawe zależności spełniają liczby Sn?
Zadanie 20.
Ciąg (an) jest zdefiniowany następująco: a1 jest wybraną liczbą z przedziału (0,1), a dla n > 1 wyrazy ciągu są określone przez zależność \((1-a_{n-1})a_n = \frac{1}{4}\). Ponadto załóżmy, że a1 jest wybrane tak, że wszystkie wyrazy ciągu spełniają nierówności 0 < an < 1. Udowodnić, że każdy otrzymany w ten sposób ciąg jest monotoniczny.
Spróbujmy wykazać, że ciąg an jest niemalejący. Chcemy udowodnić nierówność \(a_{n-1} \leq a_n = \frac{1}{4(1-a_{n-1})}\). Ponieważ wyrazy ciągu są dodatnie, ta nierówność jest równoważna \(4a_{n-1}(1-a_n-1) - 1 \leq 0\), czyli \(4a_{n-1}^2 - 4a_{n-1} + 1 \geq 0\).
Ponieważ \(4x^2 - 4x+1 = (2x-1)^2 \geq 0\) dla dowolnej liczby rzeczywistej x, to powyższa nierówność jest spełniona dla dowolnych wartości wyrazów ciągu, więc ciąg (an) jest niemalejący, niezależnie od wyboru a1 (spełniającego warunki zadania).
Natomiast równość zachodzi, gdy \(x = \frac{1}{2}\) - dla \(a_1 = \frac{1}{2}\) otrzymujemy ciąg stały.
Zadanie 21.
Ciąg (an) jest zdefiniowany wzorem an = 3p2n + pn − 7p, gdzie p jest pewną liczbą rzeczywistą.
(a) Wykazać, że ciąg (an) jest arytmetyczny. Obliczyć różnicę tego ciągu w zależności od parametru p.
(b) Dla jakich wartości p ciąg (an) jest ściśle rosnący? Dla jakich jest ściśle malejący? Ile jest różnych wartości p, dla których ten ciąg jest stały?
(b) Dla jakich p różnica ciągu (an) jest dodatnia (ujemna, zerowa)?
(b) Ciąg arytmetyczny jest ściśle rosnący wtedy i tylko wtedy, gdy jego różnica jest dodatnia, malejący wtedy i tylko wtedy, gdy różnica jest ujemna, a stały dla r = 0. Wobec tego wystarczy rozwiązać nierówność \(r \geq 0\), czyli \(p(3p+1) \geq 0\). Otrzymujemy, że r = 0 dla dwóch wartości parametru p: 0 i \(-\frac{1}{3}\); dla p z przedziału \((-\frac{1}{3},0)\) różnica jest ujemna, czyli ciąg jest ściśle malejący, natomiast dla p z półprostych \((-\infty,-\frac{1}{3})\) i \((0, \infty)\) różnica jest dodatnia, czyli ciąg jest ściśle rosnący.
Zadanie 22.
O ciągu (an) wiadomo, że dla każdego \(n \geq 1\) suma n pierwszych wyrazów jest równa \(S_n = n + \frac{1}{n}\). Wyznaczyć wzór określający an.
Ponieważ \(S_n = a_1 + a_2 + \ldots + a_{n-1} + a_n = S_{n-1} + a_n\), to \(a_n = S_n - S_{n-1} = n + \frac{1}{n} - (n-1) - \frac{1}{n-1} = 1 + \frac{n-1 - n}{n(n-1)} = 1 - \frac{1}{n(n-1)} = \frac{n^2-n-1}{n^2-n}\).
Zadanie 23.
Dany jest ciąg arytmetyczny (an). Wyznaczyć wzór na sumę wyrazów tego ciągu o indeksach podzielnych przez pewną liczbę całkowitą m, nie większych niż km: \(\sum_{i=1}^{m}a_{im}\) (w zależności od a1 i różnicy r).
Wobec tego, licząc sumę k pierwszych wyrazów tego ciągu, możemy skorzystać z wzoru \(S_k(b_n) = k\frac{b_1 + b_k}{2}\). Stąd \(S_k(b_n) = k\frac{a_m + a_{km}}{2} = k\frac{a_1 + (m-1)r + a_1 + (km-1)r}{2} = k(a_1 + \frac{(km + m -2)r}{2})\).
Zadanie 24.
Dla ciągu arytmetycznego (an), dla każdego \(n \in \mathbb{N}\) zachodzi Sn = 3n2 − 7n + 2. Wyznaczyć wartość wyrażenia \(a_3 + a_6 + a_9 + \ldots + a_{3n}\) dla dowolnej liczby naturalnej n.
Określmy ciąg (bn), biorąc do niego co trzeci wyraz ciągu (an), czyli bn = a3n. Wówczas naszym zadaniem jest obliczenie sumy n początkowych wyrazów ciągu (bn). Możemy wyprowadzić wzór ogólny na wyrazy ciągu (bn): \(b_n = a_{3n} = 6\cdot 3n - 10 = 18n-10\).
Zauważmy, że \(b_n - b_{n-1} = 6\cdot 3n - 10 - 6\cdot 3(n-1) + 10 = 18\). Różnica sąsiednich wyrazów ciągu bn jest stała - jest to ciąg arytmetyczny. Możemy więc łatwo obliczyć sumę jego n początkowych wyrazów ze wzoru \(S_n(b_n) = n\frac{b_1 + b_n}{2} = \frac{n(8 + 18n-10)}{2} = 9n^2 - n\) (lub skorzystać z zadania 23).
Zadanie 25.
Ciąg (an) jest zdefiniowany wzorem \(a_n = \sqrt{n} + \frac{396}{\sqrt{n}}\). Ile wyrazów tego ciągu jest mniejszych od 45?
Podstawmy \(x = \sqrt{n}\) - wówczas rozwiązywana nierówność ma postać x2 − 45x + 396 < 0. Żeby znaleźć rozwiązania, liczymy \(\Delta = 45^2 - 4\cdot 396 = 2025 - 1584 = 441\), a stąd \(\sqrt{\Delta} = 21\). Wobec tego pierwiastkami równania x2 − 45x + 396 = 0 są \(x_1 = \frac{45 - 21}{2} = 12\) i \(x_2 = \frac{45+21}{2}=33\). Natomiast badana nierówność jest spełniona dla wszystkich x z przedziału (x1,x2).
Chcielibyśmy stąd uzyskać informację, jakie liczby naturalne n spełniają wyjściową nierówność. Ponieważ n = x2 i x < x2, to musi być spełniony warunek \(n < x_2^2\). Analogicznie otrzymujemy warunek \(n > x_1^2\). Wyraz an jest mniejszy niż 45 wtedy i tylko wtedy, gdy n spełnia obie te nierówności: 122 = 144 < n < 333 = 1089. Wobec tego w ciągu (an) są 1088 − 144 = 944 wyrazy mniejsze od 45.
Zadanie 26.
Dany jest ciąg (an) zdefiniowany wzorem \(a_n = \sqrt{n^2 - 7n + 5}\). Czy ciąg (an) jest monotoniczny? Czy jest monotoniczny od pewnego miejsca?
Funkcja kwadratowa f(x) = x2 − 7x + 5 przyjmuje najmniejszą wartość w punkcie \(x_0 = \frac{7}{2}\), przed punktem x0 maleje, a za nim rośnie. Ciąg (bn) powstaje przez obcięcie funkcji f do zbioru liczb naturalnych, wobec tego jest malejący dla \(1 \leq n < \frac{7}{2}\), a dla \(n > \frac{7}{2}\) jest rosnący. To oznacza, że ciąg (bn) jako całość nie jest monotoniczny (więc ciąg (an) również).
Ale jeśli zapomnimy o trzech pierwszych wyrazach, definiując podciąg cn = bn + 3, to oczywiście otrzymany ciąg (cn) będzie ściśle rosnący. Możemy powiedzieć, że ciąg (bn) jest monotoniczny począwszy od \(n \geq 4\). To samo odnosi się do ciągu (an).