18.13 Szereg geometryczny
Kartkówka
Grupa A
Zadanie 1 (2 pkt)
Wyznacz iloraz nieskończonego ciągu geometrycznego zbieżnego, którego pierwszy wyraz jest równy 2, a suma wszystkich jego wyrazów jest równa 6. Zapisz ogólny wyraz tego ciągu.
Iloraz ciągu geometrycznego jest równy $q = \frac{2}{3}$.
Ogólny wyraz tego ciągu to $a_n = 2 \cdot \left(\frac{2}{3}\right)^{n-1}$.
Obliczenie ilorazu ciągu:
Wzór na sumę zbieżnego ciągu geometrycznego to:\[ S = \frac{a_1}{1 - q} \]Podstawiamy dane wartości:\[ 6 = \frac{2}{1 - q} \]Mnożymy obie strony przez $(1 - q)$:\[ 6 \cdot (1 - q) = 2 \]Dzielimy obie strony przez 6:\[ 1 - q = \frac{2}{6} \]\[ 1 - q = \frac{1}{3} \]Odejmujemy 1 od obu stron:\[ -q = \frac{1}{3} - 1 \]\[ -q = -\frac{2}{3} \]Mnożymy przez -1:\[ q = \frac{2}{3} \]Zapisanie ogólnego wyrazu ciągu:
Ogólny wzór na n-ty wyraz ciągu geometrycznego to:\[ a_n = a_1 \cdot q^{n-1} \]Podstawiamy wartości $a_1 = 2$ oraz $q = \frac{2}{3}$:\[ a_n = 2 \cdot \left(\frac{2}{3}\right)^{n-1} \]
Zadanie 2 (2 pkt)
Oblicz sumę szeregu geometrycznego:
a) $8+2+\frac{1}{2}+\frac{1}{8}+...$
b) $\frac{1}{\sqrt{3}+1}+\frac{1}{3+\sqrt{3}}+\frac{1}{3\sqrt{3}+3}+...$
a) Suma szeregu geometrycznego wynosi $\frac{32}{3}$.
b) Suma szeregu geometrycznego wynosi $\frac{\sqrt{3}}{2}$.
a) Obliczenie sumy szeregu geometrycznego:
Pierwszy wyraz szeregu: $a_1 = 8$
Iloraz szeregu: $q = \frac{1}{4}$
Warunek zbieżności: $\left|\frac{1}{4}\right| < 1$
Suma szeregu: $S_a = \frac{a_1}{1-q}$\[S_a = \frac{8}{1-\frac{1}{4}}\]\[S_a = \frac{8}{\frac{4}{4}-\frac{1}{4}}\]\[S_a = \frac{8}{\frac{3}{4}}\]\[S_a = 8 \cdot \frac{4}{3}\]\[S_a = \frac{32}{3}\]b) Obliczenie sumy szeregu geometrycznego:
Pierwszy wyraz szeregu: $a_1 = \frac{1}{\sqrt{3}+1}$\[a_1 = \frac{1}{\sqrt{3}+1} \cdot \frac{\sqrt{3}-1}{\sqrt{3}-1}\]\[a_1 = \frac{\sqrt{3}-1}{(\sqrt{3})^2-1^2}\]\[a_1 = \frac{\sqrt{3}-1}{3-1}\]\[a_1 = \frac{\sqrt{3}-1}{2}\]Iloraz szeregu: $q = \frac{a_2}{a_1} = \frac{\frac{1}{3+\sqrt{3}}}{\frac{1}{\sqrt{3}+1}}$\[q = \frac{\sqrt{3}+1}{3+\sqrt{3}}\]\[q = \frac{\sqrt{3}+1}{\sqrt{3}(\sqrt{3}+1)}\]\[q = \frac{1}{\sqrt{3}}\]\[q = \frac{\sqrt{3}}{3}\]Warunek zbieżności: $\left|\frac{\sqrt{3}}{3}\right| < 1$
Suma szeregu: $S_b = \frac{a_1}{1-q}$\[S_b = \frac{\frac{\sqrt{3}-1}{2}}{1-\frac{\sqrt{3}}{3}}\]\[S_b = \frac{\frac{\sqrt{3}-1}{2}}{\frac{3-\sqrt{3}}{3}}\]\[S_b = \frac{\sqrt{3}-1}{2} \cdot \frac{3}{3-\sqrt{3}}\]\[S_b = \frac{\sqrt{3}-1}{2} \cdot \frac{3}{\sqrt{3}(\sqrt{3}-1)}\]\[S_b = \frac{3}{2\sqrt{3}}\]\[S_b = \frac{3\sqrt{3}}{2 \cdot 3}\]\[S_b = \frac{\sqrt{3}}{2}\]
Zadanie 3 (2 pkt)
Suma wszystkich wyrazów nieskończonego ciągu geometrycznego $(a_n)$ jest równa 20. Wiedząc, że iloraz tego ciągu wynosi $-\frac{1}{2}$, oblicz cztery początkowe wyrazy ciągu $(a_n)$, oraz cztery początkowe sumy częściowe ciągu $(S_n)$, gdzie $S_n$ oznacza sumę $n$ początkowych wyrazów tego ciągu.
Cztery początkowe wyrazy ciągu $(a_n)$ to $a_1 = 30$, $a_2 = -15$, $a_3 = \frac{15}{2}$, $a_4 = -\frac{15}{4}$.
Cztery początkowe sumy częściowe ciągu $(S_n)$ to $S_1 = 30$, $S_2 = 15$, $S_3 = \frac{45}{2}$, $S_4 = \frac{75}{4}$.
Aby obliczyć pierwszy wyraz ciągu $a_1$, skorzystamy ze wzoru na sumę nieskończonego ciągu geometrycznego:\[ S = \frac{a_1}{1 - q} \]Podstawiamy dane wartości:\[ 20 = \frac{a_1}{1 - \left(-\frac{1}{2}\right)} \]\[ 20 = \frac{a_1}{1 + \frac{1}{2}} \]\[ 20 = \frac{a_1}{\frac{3}{2}} \]Mnożymy obie strony przez $\frac{3}{2}$:\[ a_1 = 20 \cdot \frac{3}{2} \]\[ a_1 = 30 \]Następnie obliczamy kolejne wyrazy ciągu $a_n = a_1 \cdot q^{n-1}$:
Dla $n=2$:\[ a_2 = a_1 \cdot q \]\[ a_2 = 30 \cdot \left(-\frac{1}{2}\right) \]\[ a_2 = -15 \]Dla $n=3$:\[ a_3 = a_2 \cdot q \]\[ a_3 = -15 \cdot \left(-\frac{1}{2}\right) \]\[ a_3 = \frac{15}{2} \]Dla $n=4$:\[ a_4 = a_3 \cdot q \]\[ a_4 = \frac{15}{2} \cdot \left(-\frac{1}{2}\right) \]\[ a_4 = -\frac{15}{4} \]Teraz obliczamy cztery początkowe sumy częściowe $S_n$:
Dla $n=1$:\[ S_1 = a_1 \]\[ S_1 = 30 \]Dla $n=2$:\[ S_2 = S_1 + a_2 \]\[ S_2 = 30 + (-15) \]\[ S_2 = 15 \]Dla $n=3$:\[ S_3 = S_2 + a_3 \]\[ S_3 = 15 + \frac{15}{2} \]\[ S_3 = \frac{30}{2} + \frac{15}{2} \]\[ S_3 = \frac{45}{2} \]Dla $n=4$:\[ S_4 = S_3 + a_4 \]\[ S_4 = \frac{45}{2} + \left(-\frac{15}{4}\right) \]\[ S_4 = \frac{90}{4} - \frac{15}{4} \]\[ S_4 = \frac{75}{4} \]
Zadanie 4 (4 pkt)
Wyznacz wszystkie wartości $x, x \in R$, dla których szereg geometryczny $1+\frac{x+1}{x-4}+\left(\frac{x+1}{x-4}\right)^2+\left(\frac{x+1}{x-4}\right)^3+\ldots$ jest zbieżny.
Szereg geometryczny jest zbieżny dla $x \in \left(-\infty, \frac{3}{2}\right)$.
Aby szereg geometryczny był zbieżny, moduł jego ilorazu $q$ musi być mniejszy od 1. W tym szeregu pierwszy wyraz wynosi $a_1 = 1$, a iloraz $q = \frac{x+1}{x-4}.$Należy nałożyć warunek na iloraz:\[ \left|\frac{x+1}{x-4}\right| < 1 \]Zauważmy, że mianownik $x-4$ musi być różny od zera, więc $x \neq 4$.Podnosimy obie strony nierówności do kwadratu. Ponieważ obie strony są nieujemne, nierówność zachowuje swój sens:\[ \left(\frac{x+1}{x-4}\right)^2 < 1^2 \]\[ \frac{(x+1)^2}{(x-4)^2} < 1 \]Mnożymy obie strony przez $(x-4)^2$. Ponieważ $(x-4)^2$ jest zawsze dodatnie (dla $x \neq 4$), znak nierówności nie ulega zmianie:\[ (x+1)^2 < (x-4)^2 \]Rozwijamy kwadraty:\[ x^2 + 2x + 1 < x^2 - 8x + 16 \]Odejmujemy $x^2$ z obu stron nierówności:\[ 2x + 1 < -8x + 16 \]Przenosimy wszystkie wyrazy zawierające $x$ na jedną stronę, a stałe na drugą:\[ 2x + 8x < 16 - 1 \]\[ 10x < 15 \]Dzielimy obie strony przez 10:\[ x < \frac{15}{10} \]Upraszczamy ułamek:\[ x < \frac{3}{2} \]Zbiorem wartości $x$, dla których szereg jest zbieżny, jest przedział $(-\infty, \frac{3}{2})$. Warunek $x \neq 4$ jest spełniony, ponieważ $4$ nie należy do tego przedziału.
Zadanie 5 (4 pkt)
a) Rozwiąż równanie: $1 + 2(x-1) + 4(x-1)^2 + \text{...} = x$
b) Rozwiąż równanie: $x + \frac{x^2}{3x+1} + \frac{x^3}{(3x+1)^2} + \text{...} = 2$
a) Rozwiązaniem równania jest $x = 1$.
b) Rozwiązaniem równania jest $x = \frac{3 + \sqrt{33}}{6}$.
a) Obliczamy sumę szeregu geometrycznego:
Jest to szereg geometryczny o pierwszym wyrazie $a = 1$ i ilorazie $q = 2(x-1)$.
Suma nieskończonego szeregu geometrycznego jest dana wzorem:\[ S = \frac{a}{1-q} \]Dla zbieżności szeregu musi być spełniony warunek $|q| < 1$.
Podstawiamy wyrażenia do wzoru na sumę i porównujemy z prawą stroną równania:\[ \frac{1}{1 - 2(x-1)} = x \]\[ \frac{1}{1 - 2x + 2} = x \]\[ \frac{1}{3 - 2x} = x \]Mnożymy obie strony przez $(3-2x)$, pamiętając, że $3-2x \neq 0$ (czyli $x \neq \frac{3}{2}$):\[ 1 = x(3 - 2x) \]\[ 1 = 3x - 2x^2 \]Porządkujemy równanie do postaci kwadratowej:\[ 2x^2 - 3x + 1 = 0 \]Obliczamy wyróżnik (deltę) równania kwadratowego:\[ \Delta = (-3)^2 - 4 \cdot 2 \cdot 1 = 9 - 8 = 1 \]Obliczamy pierwiastki równania kwadratowego:\[ x_1 = \frac{-(-3) - \sqrt{1}}{2 \cdot 2} = \frac{3 - 1}{4} = \frac{2}{4} = \frac{1}{2} \]\[ x_2 = \frac{-(-3) + \sqrt{1}}{2 \cdot 2} = \frac{3 + 1}{4} = \frac{4}{4} = 1 \]Sprawdzamy warunek zbieżności szeregu $|q| < 1$: \[ |2(x-1)| < 1 \]\[ -1 < 2(x-1) < 1 \]\[ -\frac{1}{2} < x-1 < \frac{1}{2} \]\[ 1 - \frac{1}{2} < x < 1 + \frac{1}{2} \]\[ \frac{1}{2} < x < \frac{3}{2} \]Sprawdzamy, czy obliczone pierwiastki spełniają warunek zbieżności:
Dla $x_1 = \frac{1}{2}$:
Iloraz $q = 2(\frac{1}{2}-1) = 2(-\frac{1}{2}) = -1$. Ponieważ $|q|=1$, szereg nie jest zbieżny. Rozwiązanie $x_1 = \frac{1}{2}$ jest odrzucane.
Dla $x_2 = 1$: \[ \frac{1}{2} < 1 < \frac{3}{2} \]Warunek jest spełniony. Rozwiązanie $x_2 = 1$ jest poprawne.
b) Obliczamy sumę szeregu geometrycznego:
Jest to szereg geometryczny o pierwszym wyrazie $a = x$ i ilorazie $q = \frac{x}{3x+1}$.
Suma nieskończonego szeregu geometrycznego jest dana wzorem:\[ S = \frac{a}{1-q} \]Dla zbieżności szeregu musi być spełniony warunek $|q| < 1$. Dodatkowo $x+1 \neq 0$ oraz $3x+1 \neq 0$.
Podstawiamy wyrażenia do wzoru na sumę i porównujemy z prawą stroną równania:\[ \frac{x}{1 - \frac{x}{3x+1}} = 2 \]\[ \frac{x}{\frac{3x+1 - x}{3x+1}} = 2 \]\[ \frac{x}{\frac{2x+1}{3x+1}} = 2 \]\[ \frac{x(3x+1)}{2x+1} = 2 \]Mnożymy obie strony przez $(2x+1)$, pamiętając, że $2x+1 \neq 0$ (czyli $x \neq -\frac{1}{2}$):\[ x(3x+1) = 2(2x+1) \]\[ 3x^2 + x = 4x + 2 \]Porządkujemy równanie do postaci kwadratowej:\[ 3x^2 - 3x - 2 = 0 \]Obliczamy wyróżnik (deltę) równania kwadratowego:\[ \Delta = (-3)^2 - 4 \cdot 3 \cdot (-2) = 9 + 24 = 33 \]Obliczamy pierwiastki równania kwadratowego:\[ x_1 = \frac{-(-3) - \sqrt{33}}{2 \cdot 3} = \frac{3 - \sqrt{33}}{6} \]\[ x_2 = \frac{-(-3) + \sqrt{33}}{2 \cdot 3} = \frac{3 + \sqrt{33}}{6} \]Sprawdzamy warunek zbieżności szeregu $|q| < 1$: \[ \left|\frac{x}{3x+1}\right| < 1 \]Nierówność ta jest spełniona dla $x \in (-\infty, -\frac{1}{3}) \cup (-\frac{1}{4}, \infty)$.
Sprawdzamy, czy obliczone pierwiastki spełniają warunek zbieżności:
Dla $x_1 = \frac{3 - \sqrt{33}}{6}$:
Przybliżona wartość $x_1 \approx \frac{3 - 5.74}{6} \approx -0.456$. Ta wartość nie należy do przedziału zbieżności, ponieważ $-0.456 \in (-0.5, -0.333)$. Zatem ten pierwiastek nie spełnia warunku zbieżności szeregu. Rozwiązanie $x_1$ jest odrzucane.
Dla $x_2 = \frac{3 + \sqrt{33}}{6}$:
Przybliżona wartość $x_2 \approx \frac{3 + 5.74}{6} \approx 1.456$. Ta wartość należy do przedziału zbieżności. Zatem ten pierwiastek spełnia warunek zbieżności szeregu.
Rozwiązanie $x_2 = \frac{3 + \sqrt{33}}{6}$ jest poprawne.
Grupa B
Zadanie 1 (2 pkt)
Wyznacz iloraz nieskończonego ciągu geometrycznego zbieżnego, którego pierwszy wyraz jest równy $\frac{1}{2}$, a suma wszystkich jego wyrazów jest równa 3. Zapisz ogólny wyraz tego ciągu.
Iloraz ciągu geometrycznego jest równy $q = \frac{5}{6}$.
Ogólny wyraz tego ciągu to $a_n = \frac{1}{2} \cdot \left(\frac{5}{6}\right)^{n-1}$.
Zadanie 2 (2 pkt)
Oblicz sumę szeregu geometrycznego:
a) $16+8+4+2+...$
b) $\frac{1}{\sqrt{4}+1}+\frac{1}{4+\sqrt{4}}+\frac{1}{4\sqrt{4}+4}+...$
a) Suma szeregu geometrycznego wynosi $32$.
b) Suma szeregu geometrycznego wynosi $\frac{2}{3}$.
Zadanie 3 (2 pkt)
Suma wszystkich wyrazów nieskończonego ciągu geometrycznego $(a_n)$ jest równa 24. Wiedząc, że iloraz tego ciągu wynosi $\frac{1}{3}$, oblicz cztery początkowe wyrazy ciągu $(a_n)$, oraz cztery początkowe sumy częściowe ciągu $(S_n)$, gdzie $S_n$ oznacza sumę $n$ początkowych wyrazów tego ciągu.
Cztery początkowe wyrazy ciągu $(a_n)$ to $a_1 = 16$, $a_2 = \frac{16}{3}$, $a_3 = \frac{16}{9}$, $a_4 = \frac{16}{27}$.
Cztery początkowe sumy częściowe ciągu $(S_n)$ to $S_1 = 16$, $S_2 = \frac{64}{3}$, $S_3 = \frac{208}{9}$, $S_4 = \frac{640}{27}$.
Zadanie 4 (4 pkt)
Wyznacz wszystkie wartości $x, x \in R$, dla których szereg geometryczny $1+\frac{x+5}{x-2}+\left(\frac{x+5}{x-2}\right)^2+\left(\frac{x+5}{x-2}\right)^3+\ldots$ jest zbieżny.
Szereg geometryczny jest zbieżny dla $x \in \left(-\infty, -\frac{3}{2}\right)$.
Zadanie 5 (4 pkt)
a) Rozwiąż równanie: $1 + 4(x-2) + 16(x-2)^2 + \text{...} = 3x - 2$
b) Rozwiąż równanie: $x + \frac{x^2}{x+2} + \frac{x^3}{(x+2)^2} + \text{...} = 2$
a) Rozwiązaniem równania jest $x = \frac{35 + \sqrt{313}}{24}$.
b) Rozwiązaniem równania jest $x = -1 + \sqrt{5}$.
