Eötvös Loránd Tudományegyetem Természettudományi Kar

Átírás

1 Eötvös Loránd Tudományegyetem Természettudományi Kar Madarász Éva Matematika BSc, Matematikai elemz szakirány Elemi matematika Témavezet : Fried Katalin, f iskolai docens Matematika Módszertani Tanszék Budapest, 010

2 Tartalomjegyzék 1. Bevezetés osztály 4.1. Számsorozat Feladatok Versenyfeladatok osztály Tananyag Sorozat Számtani sorozat Mértani sorozat Feladatok Versenyfeladatok osztály Számsorozatok, sorozatok Néhány nevezetes sorozat Számtani sorozat Mértani sorozat Fibonacci-sorozat Indukció, teljes indukció Feladatok Versenyfeladat KöMaL Feladatok Összefoglalás 35 Köszönetnyilvánítás 36 Felhasznált irodalom 37

3 1. fejezet Bevezetés A dolgozatomban az elemi matematikával és ezen belül pedig a sorozatokkal foglalkozom. A választásom azért erre a témára esett, mert középiskolásokkal foglalkozom. A matematika tantárgy önálló m veltségterület a közoktatásban. A matematika lehet séget nyújt a logikus gondolkodás kialakitására, fejlesztésére, az összefüggésben való látás fejlesztésére, az elemz gondolati tevékenységek formálásával, a logikai gondolkodási módszerek megismertetésével. A kerettanterv spirális szerkezet, mert a matematika nyelvezete, szimbólumai, jelölésrendszere, tartalmi felépítése illeszkedik az adott korosztály életkori sajátosságaihoz. Ezért tér vissza egy-egy témára úgy, hogy azt egyre pontosabban, összefüggéseiben egyre árnyaltabban mutassa meg a már magasabb évfolyamokra járó és fejlettebb gondolkodással rendelkez tanulóknak. Ez adta az ötletet, hogy egy témát végigkövessek, miként változik a tananyagnak az általam vizsgált része az általános iskolától a középiskoláig. Mivel a diákoknak egyre több információ áll rendelkezésükre, ezért változik a feladatok jellege, összetettsége és nehézsége. Ezt a tankönyvekben és feladatgy jteményekben szerepl és különböz versenyekr l származó feladatok segítségével szeretném bemutatni. A sorozatokkal való foglalkozás során fejl dik az összefüggéslátás, a számolási készség, mindeközben megismerkedhetünk konkrét sorozatokkal, meggyelhetjük a tulajdonságaikat. A napjainkban közkedvelt IQ-tesztekben is sok olyan feladat van, amelyek sorozatokkal kapcsolatosak. A Fibonacci-sorozat és az ennek mintájara keletkezett Fibonacci-típusú sorozatok sok érdekes kutatásra ösztönözték a matematikusokat. Mára kiderült, hogy ez a sorozat kapcsolatba hozható kombinatorikai jelleg vagy a játékelmélet körébe vágó problémával, a természetes növekedés törvényszer ségeivel. Felfedezhetjük különböz növényekmintázatában és számos m vészeti alkotás szerkezetében. Fibonacci-féle sorozathoz vezet, ha meg akarjuk határozni például egy szöv gép optimális fordulatszámát.[17] 3

4 . fejezet 56. osztály Az általános iskola els 4 osztályában a diákok még csak az alapm veletekkel, a szám fogalmával, a törtekkel és a mennyiségekkel ismerkednek. A sorozatokat logikai összefüggések felismerésére, a m veleti talajdonságok analógiáinak felismerése használják. Az 5. osztálytól kezd érdekes lenni a tananyag. Itt hallanak el ször a sorozat fogalmáról mint matematikai diszciplináról. A tankönyvek jelent s része a sorozatok el tt egyfajta rávezetésként az összefüggések, szabályszer ségek keresésével, a függvényfogalom megalapozásával foglalkoznak. A feladatok között szerepelnek olyanok, amelyekben megadott ábrák alapján kell kitalálni a helyes mintát vagy a megadott szavakból kell rájönni, hogy mi lehet a folytatás, illetve hogy a felsorolt számok milyen szabály szerint követik egymást. (Ezekhez hasonló feladatokkal találkozhatunk egyes intelligencia-tesztek, illetve vetélked k kérdései között.).1. Számsorozat A számsorozat egy, a természetes számokon értelmezett függvény. (Úgy képzelhetjük, hogy számokat írunk sorban, egymás után.) Például számsorozat : 4, 45, 64, 17,.... A sorozatnak az els tagja a 4, a második tagja a 45, a harmadik a 64 és így tovább. A felsorolás végén a három pont megállapodás szerint azt jelzi, hogy a számok írása végtelenségig folytatható. Mi most olyan sorozatokat fogunk vizsgálni, amelyek elemeit valamely szabállyal adjuk meg. Vizsgálni fogjuk konkrét sorozatok esetén, hogy ha csak véges sok tagját adjuk meg, akkor azok milyen szabályszer ségnek tehetnek eleget. 1. Példa: Ha számsorozat hatodik, hetedik, nyolcadik, kilencedik tagja például: 4, 14, 4, 34, akkor meggyelhetjük, hogy jobbra haladva tízzel növekszenek a számok. Ezért például lehet: a negyedik tag: 14, 4

5 az ötödik tag: 4, a tízedik tag: 44.. Példa: A 4, 44, 444, 4444, 44444, sorozat alább megadott szabálya szerint a sorozat csak egy irányba folytatható. Minden következ szám pontosan eggyel több 4-es számjegyet tartalmaz. Ennek a sorozatnak az els tagja a 4. [1], [3].. Feladatok 1. Keress szabályt az alábbi sorozatokhoz, és a megtalált szabály szerint folytasd a következ öt elemmel! [] a) 1; 5; 9;... b) 17; 11; 5;... c) 4; 7; 10;... Megoldás: a) Nézzük meg, hogy az egymás melletti elemek között mekkora a különbség: A sorozat minden eleme mindig 4-gyel nagyobb, mint az t megel z. A sorozat következ elemei: 13, 17, 1, 5, 9. b) Az el z feladathoz hasonlóan állítsuk el a különbségeket: Ennél a sorozatnál a szomszédos elemek kölönbsége mindig 6. Ez alapján a sorozat következ elemei: 1, 7, 13, 19, 5. c) A megoldás, mint az a) és b) feladatnál: 5

6 Itt egy hárommal csökken sorozatot kaptunk. A sorozat következ elemei: 13, 16, 19,, 5. Megjegyzés: 56. osztályban a megadott elemekre igaz szabályszer ségeket keresnek a diákok, de kés bb majd gyelni kell arra, hogy egy sorozatot csak akkor tekintünk ismertnek, ha az t meghatározó függvényt ismerjük, például megadtuk a sorozatnak a képzési szabályát is. Fontos beszélni arról, hogy ezeket a sorozatokat másképpen is lehet folytatni, az itt megadott megoldás csak egy a lehetséges megoldások közül, például a sorozat els három eleme periodikusan ismétl dnek, vagy az a n = n a 1 + (n 1) a + (n ) a 3 ahol n 4. Néhány megoldási ötlettel lendületbe hozhatjuk a gyerekek fantáziáját a szabály keresésben.. Peti szeret sportolni, úszóedzésre jár. Az alapozó edzéseken elhatározta, hogy mindennap 100 m-rel többet úszik, mint az el z napon. Hány métert úszik a 14. és a 0. napon, ha az alapozó edzés els napján 1600 métert úszott? [1] Megoldás: Az els napon a feladat szerint Peti 1600 métert úszott és minden további napon 100 méterrel növelte a távot, ez táblázatba összefoglalva: Napok Leúszott táv = = 1600 m = = 1700 m = = 1800 m = = 1900 m = = 000 m A táblázat segítségével felismerhetjük a szabályt, hogy hogyan tudjuk megadni a 14. és a 0. tagját a sorozatnak anélkül, hogy az el tte lév összes elemet ki kellene számolnunk. 14. nap: = 900 m 0. nap: = 3500 m 3. A cseppk barlangban a cseppkövek nagyon lassan n nek, egy év alatt 1 mm-t. Hány év alatt n fél métert egy cseppk? [1] Megoldás: Mivel a növekedést mm-ben adták meg, ezért a 0,5 m-t érdemes átváltani. 0,5 m = 500 mm 6

7 Itt is készíthetünk táblázatot arról, hogy mennyit n a cseppk az évek alatt. Év növekedés 1. 1 = 1 1 = 1 mm = 1 = mm = 3 1 = 3 mm = = 4 mm = = 5 mm A táblázatból látszik, hogy a cseppk annyi mm-t n tt ahány évig hagytuk n ni, vagyis az 500 mm-es növekedést 500 év alatt éri el. Megjegyzés: Ha nem túl bonyolult a szabály, akkor minden tanulótól elvárható, hogy a sorozat akárhányadik elemét megadja. Kezdetben el fordulhat, hogy a szöveges feladatok esetén gondot jelenthet a sorozat és a hozzá tartozó szabály felismerése. 4. Számország egyik tartományában nem használják a -es számjegyet. Számország ezen a részén melyik számot használják huszadikként a pozitív egész számok sorozatában? [] Megoldás: Nézzük meg, hogy a -es számjegy hiánya miatt mely számok maradnak ki az els 30 pozitív egész szám közül: 1-t l 10-ig 1 szám marad ki () 11-t l 0-ig szám marad ki (1, 0) 1-t l 30-ig 9 szám marad ki ( 1,,..., 8, 9) Ez azt jelenti, hogy 1 szám maradt ki eddig, így Számország adott tartományában a pozitív egész számok sorozatában a 30 a (30 1) = 18-dik elemnek felel meg. Ez alapján a 31 a 19. sorozatnak. elem és a 3 kihagyása miatt a 33 lesz a 0-dik eleme az adott Megjegyzés: Ennek a sorozatnak a szabályát nehezebben találják meg a gyerekek, mint amikkel eddig találkoztunk, emiatt érdekes az adott elem megtalálása. 5. Egy számsorozat els tagja, a második 3, és a további tagokat úgy képezzük, hogy minden egyes tag eggyel kisebb, mint a két szomszédjának a szorzata. Mennyi a sorozat els 1110 tagjának az összege? [] Megoldás: Számoljuk ki a sorozat els néhány tagjának az értéket a feladatban megadottak alapján. 7

8 , 3, a, b, c, d, e, f, g,... 3 = ( a) 1 a = 3+1 = a = (3 b) 1 b = a+1 = = 1 b = (a c) 1 c = b+1 = 1+1 a = 1 c = (b d) 1 d = c+1 = 1+1 b 1 = d = (c e) 1 e = d+1 = +1 c 1 = 3 e = (d f) 1 f = e+1 = 3+1 d = f = (e g) 1 g = f+1 = +1 e 3 = 1 Ez alapján a sorozat els néhány elem az alábbi: A kiszámolt elemeknél ismétl dést gyelhetünk meg, minden hatodik elem megegyezik. Emiatt csoportosítsuk az elemeket ötösével. Az így kapott csoportok száma: 1110 : 5 =. ( 3 1 1) ( 3 1 1) ( 3 1 1)... Az elemek összege egy-egy csoportban: ( ) = Megjegyzés: Ez a feladat jó példa arra, hogy néha érdemes a megadott sorozatnak több elemét is kiszámolni, hogy a megoldáshoz szükséges utat, szabályszer séget megtaláljuk..3. Versenyfeladatok 1. Két raktár közül az els ben 1 tonna cukorrépa van, a másodikban csak feleannyi. Ezután az els raktárba mindennap további 9 tonna cukorrépát szállítanak, míg a másodikba mindennap további 1 tonnát. Hány nap múlva lesz a két raktárban lév cukorrépa tömegének különbsége ugyanannyi, mint eredetileg volt? (Bonifert Domonkos Matematika Verseny 005/006, 5. osztály. forduló) Megoldás: Az egyik sorozat legyen az egyes raktár, aminél az els nap 1 tonna cukorrépa van és mindennap 9 tonnával n ez a mennyiség. A másik sorozat pedig a kettes raktár, amiben els nap 9 tonna cukorrépa volt, itt a mennyiség 1 tonnával n naponta. Írjuk be egy táblázatba, hogy hogyan alakul a két raktárban a cukorrépa mennyisége. Ha ebbe a táblázatba harmadik sorként még a két raktár különbségét is bevesszük, akkor könnyen választ tudunk adni a feladat kérdésére. 8

9 1. nap. nap 3. nap 4. nap 1-es rakár 1 t 1 t 30 t 39 t -es rakár 9 t 1 t 33 t 45 t különbség 3 t 0 t 3 t 6 t A harmadik sorból le tudjuk olvasni, hogy a harmadik napon, vagyis két nap múlva lesz ismét a két raktár különbsége ismét 3 tonna.. Egy sorozat bármely két egymást követ elemének összege 11. A sorozat 53. eleme a 7. Mennyi a sorozat els 005 tagjának összege? (Bonifert Domonkos Matematika Verseny 005/006, 5. osztályosoknak 3. forduló) Megoldás: Írjuk fel a 005. elemig az összeget! a 1 + a + a 3 + a a 53 + a a a a 005 = Használjuk fel, hogy tudjuk a szomszédos elemek összegét, csoportosítsuk az elemeket kettesével: = (a 1 + a ) + (a 3 + a 4 ) (a 53 + a 54 ) (a a 004 ) + a 005 = Minden zárójeles mennyiségr l tudjuk, hogy 11-et ér. Mivel kettesével csoportosítottuk az elemeket, ezért 005 : = 100,5 alapján 100 ilyen zárójeles kifejezés van. Most már csak azt kell megtudnunk, hogy a 005. elemnek mi az értéke. Vizsgáljuk, meg a sorozat elemeit és keressünk összefüggést közöttük, ehhez használjuk fel ismét a szomszédos elemek összegét. Az erre felírt egyenleteket rendezzük is át. a 1 + a = 11 a 1 = 11 a a 1 + a = 11 a = 11 a 1 a + a 3 = 11 a 3 = 11 a = 11 (11 a 1 ) = a 1 a 3 + a 4 = 11 a 4 = 11 a 3 = 11 a 1 = a a 4 + a 5 = 11 a 5 = 11 a 4 = 11 (11 a 1 ) = a 1 a 5 + a 6 = 11 a 6 = 11 a 5 = 11 a 1 = a Az átalakítások után látszik, hogy a 1 = a 3 = a 5 =...; és a = a 4 = a 6 =.... Ami azt jelenti, hogy a páros index elemek azonos érték ek, és ez a páratlan index elemek értéke is megegyezik. Az 53. elem és a 005. elem is páratlan index, ezért egyenl ek, vagyis mind a két elem a 7. Most már ki tudjuk számolni az összeget: a 1 + a + a a a a 005 = =

10 3. A Fibonacci-sorozat els két eleme: 1, 1; a további elemeket úgy kapjuk, hogy az el z két elemet összeadjuk: 1, 1,, 3, 5, 8, 13, 1, 34, 55,... Bizonyítsuk be, hogy a sorozat minden ötödik eleme osztható 5-tel! (Kalmár László Országos Matematika Verseny, 1995., 6.osztály, országos döntö) Megoldás: Tudjuk, hogy f n = f n 1 + f n. Írjunk f n 1 helyébe f n + f n 3 -at: f n = f n + f n 3 + f n = f n + f n 3. Tovább alakítva egyenl ségünket a képzési szabály ismételt felhasználásával: f n = 3f n 3 + f n 4, f n = 5f n 4 + 3f n 5, f n = 8f n 5 + 5f n 6,. f n = f k f n k+1 + f k 1 f n k. Vegyük észre, hogy a jobb oldalon álló Fibonacci-számok együtthatói is mindig Fibonacci-számok lesznek. Bevezetve az m = n k jelölést: Ez alapján: f m+k =f k f m+1 + f k 1 f m. f m+5 =f 5 f m+1 + f 4 f m. A jobb oldalon álló összeg els tagja biztosan osztható 5-tel, hiszen f 5 = 5 többszöröse. Ha f m osztható 5-tel, akkor az összeg másik tagja, így maga az összeg is osztható öttel. Megjegyzés: Hasonló módon belátható, hogy a Fibonacci-számok közül minden 3. páros, vagy minden 4. osztaható hárommal. Ezen az úton elindulva elérünk ahhoz a fontos eredményhez, hogy két Fibonacci-szám közül az egyik akkor és csak akkor osztója a másiknak, ha indexe osztója a másik indexének. Ebb l következik, hogy azok a Fibonacci-számok, amelyeknek indexe összetett szám, maguk is összetett számok. (Err l b vebben a irodalomjegyzékben megadott 17. irodalomban olvashatunk.) 10

11 3. fejezet 78. osztály A különböz tankönyvcsaládok között jelent s az eltérés atekintetben, hogy a 78. osztályban mennyire részletesen veszik a sorozatokat. Ugyan mindegyik tankönyvben szerepel a számtani sorozat, de ez nem mondható el a mértani sorozatról. Az sem egységes, hogy a függvények és a sorozatok közötti kapcsolattal mennyire foglalkoznak, annak ellenére, hogy túlnyomórészt ez a két témakör egymást követ fejezet a könyvekben. Nem csoda, hiszen a sorozat speciális függvény (a természetes számokon van értelmezve). [5], [6], [7], [9] 3.1. Tananyag Több könyv alapján a 78. osztályosok a következ ismereteket sajátíthatják el a sorozatokról: Sorozat A sorozat intuitíve elemek sorbarendezését jelenti. Így egy speciális függvényt határozunk meg, hiszen a pozitív egész számokhoz egyértelm en rendeljük hozzá a vizsgált halmaz elemeit. Más szóval: Az olyan függvényeket, amelyeknek az értelmezési tartománya a természetes számok halmaza, sorozatnak nevezzük. Vagy másképp: A sorozat olyan függvény, melynek értelmezési tartománya a természetes számok halmaza. Az értékkészlet elemeit a sorozat elemeinek vagy tagjainak nevezzük. A sorozat n-edik elemét a n -nel jelöljük, ahol n természetes szám. Ha a sorozat els néhány elemét felsoroljuk, akkor többféle sorozatot kaphatunk. Egy sorozatot csak akkor tekintünk ismertnek, ha az t meghatározó függvényt ismerjük, például megadtuk a sorozatnak a képzési szabályát is. 11

12 3.1.. Számtani sorozat Számtani sorozatnak nevezzük az olyan sorozatot, amelyben a második tagtól kezdve minden tagot úgy kapunk meg, hogy az t megel z taghoz ugyanazt a számot hozzáadjuk. Vagyis a sorozat bármely eleméb l kivonva az el tte álló elemet, a különbség állandó. Megadjuk az els elemet, a 1 -et és az állandó d dierenciát. Az n-edik tagot úgy kapjuk meg, hogy az els taghoz mindig eggyel kevesebbszer adjuk hozzá a dierenciát, mint ahányadik tagot szeretnénk felírni: a n = a n 1 + d =... = a 1 + (n 1)d. A számtani sorozat els n elemének az összege: Mértani sorozat S n = (a 1 + a n ) n. A mértani sorozat olyan számsorozat, amelyben (a második elemt l kezdve) bármelyik elem a közvetlenül el tte álló elemek ugyanannyiszorosa (q-szorosa). A q a mértani sorozatra jellemz állandó szorzótényez (kvóciens vagy hányados). A k-ik elem el állítása: a k = a 1 q k Feladatok 1. Mennyi annak a számtani sorozatnak a dierenciája, amelynek els eleme 8, és els két elemének számtani közepe 6. [5] Megoldás: { a 1 = 8 a 1 +a = 6 a 1 + a = 1 a = 1 a 1 a = 4 a = a 1 + d d = a a 1 d = ( 4) ( 8) 1

13 A sorozat dierenciája 4..Virág néninek két ától 7 unokája van. A legatalabb 3 éves, és az unokák életkorsorozatának különbségsorozata csupa kettesb l áll. a) Írjuk föl az unokák életkorát! b) A két családban a gyermekek életkorának a számtani közepe (átlaga) ugyanannyi. Hány évesek lehetnek a gyerekek az egyes családokban? c) Az unokák születésnapi tortáját a nagymama készíti. Hány gyertyát használ föl ebben az évben? [8] Megoldás: a) Az unokák életkorát a következ sorozattal tudjuk leírni: a 1 = 3, és a dierencia d =. A sorozat els 7 eleme: a 1 = 3 a = a 1 + d = 5 a 3 = a 1 + d = 7 a 4 = a 1 + 3d = 9 a 5 = a 1 + 4d = 11 a 6 = a 1 + 5d = 13 a 7 = a 1 + 6d = 15 b) Virág néni unokáinak az átlag életkora 9, a két családban külön-külön is ugyanennyi. Mivel a 3 és 15 éves, az 5 és 13 éves, a 7 és 11 éves gyerekek életkorának számtani közepe szintén 9 év, ezért k biztosan testvérek. Az egyik családot jelöljük A-val, a másik családot pedig B-vel. A három testvérpár és a 9 éves gyerek a fenti ábra alapján 16 féle képpen lehet a két család tagja, de ezek közül két eset nekünk nem jó, mert tudjuk, hogy mindegyik családnál van gyerek. Így azt kapjuk, hogy 14 módon lehetnek a gyerekek a két családban. c) Az unokák életkorának összegét jelölje S 7. 13

14 S 7 = (a 1 + a 7 )7 = (3 + 15)7 = Határozzuk meg az adatok alapján a keresett tagot! a) a 1 = 5; d = 3; a 71 =? b) a 10 = 10; d = 3; a 0 =? c) a 8 = 60; a 1 = 9, 5; a 100 =? [6] Megoldás: Mind a három feladat megoldásánál a sorozat n-edik elemének általános képletét használjuk fel: a n = a 1 + (n 1)d. a) a 71 = a 1 + (71 1) d = = 15 b) { a10 = a 1 + (9 1)d a 0 = a 1 + (19 1)d a 0 a 10 = (a 1 + (19 1)d) (a 1 + (9 1)d) = 10d a 0 = a d = ( 3) = 0 c) { a8 = 60 = a 1 + 7d a 1 = 9, 5 = a 1 + 0d a 1 a 8 = 3, 5 a 1 a 8 = (a 1 + 0d) (a 1 + 7d) 13 d = 3, 5 d =, 5 a 1 = a 8 7d = 4, 5 a 100 = a d = Ha egy fénynyaláb valamely üveglapon áthalad, akkor er ssége ötödrészére csökken. Hányadrészére csökken a fény er ssége, ha egymás után hat ilyen üveglemezen hatol át? [10] 14

15 Megoldás: A feladat egy mértani sorozatnak fogható fel, ahol az els elem 1 és a sorozatra jellemz q = 1 5. Mivel a fénynyaláb 6 üveglemezen hatolt át, így a sorozat 7-dik elemét kell kiszámolnunk, hogy a kérdésre megkapjuk a választ. ( ) 6 1 a 7 = a 1 q 6 = 1 = 5 ( ) A fényer sség az 5 6 -od részére csökkent le. Megjegyzés: Ez a feladat a szövege miatt akár zika óraán is szerepelhet. 5. Egy számtani sorozatban : a 4 + a 8 + a 1 + a 16 = 4. Számítsuk ki a sorozat tizedik elemét és az els tizenkilenc elem összegét! [7] Megoldás: A feladat megoldásáshoz a számtani sorozat n-edik elemének általános formáját használjuk fel. a n = a 1 + (n 1)d { a4 + a 8 + a 1 + a 16 = 4 a 4 + a 8 + a 1 + a 16 = (a 1 + 3d) + (a 1 + 7d) + (a d) + (a d) a 4 + a 8 + a 1 + a 16 = 4 4 a d = 4 a 1 + 9d = 56 a 10 = 56 Következ lépésként a számtani sorozat els n tagjának összegképletét használjuk fel. S n = (a 1 + a n )n S 19 = (a 1 + a 19 ) 19 S 19 = (a 1 + (a d) 19 S 19 = (a 1 + 9d) 19 S 19 = 19 a 10 S 19 = =

16 3.3. Versenyfeladatok 1. Az iskolában a diákok egy halom egyforma kockából piramist építettek, amelynek egy része az ábrán látható. Ez a piramis, amelyik a maga nemében a legnagyobb volt a világon, az iskola udvarán állt és sajnos többször megázott. Ezért egy id után ki kellet cserélni az összes es érte kockát (tehát a felületén lév ket). Összesen 05 kockát kellett kicserélni. Hány szintje volt a piramisnak? (Matematikai Olimpia, 006/07, 8. évfolyam, I. ford) Megoldás: Lerajzoltuk egymás mellé a piramis els öt sorát fellülnézetb l, és szürkére színeztük be azokat a kockákat amiket ki kellett cserélni. A T n területe most az adott sort alkotó kockák számát jelölje. A sorokban mindig -vel n a négyzetek oldalát alkotó kockák szám, ami egy a 1 = 1 és d = számtani sorozatnak felel meg. Adjuk meg, hogy mekkora az egyes sorokban a szürkére színezett terület. 1. sor 1,. sor 3 1, 3. sor 5 3, 4. sor 7 5,. n. sor (n 1) (n 3). Ha ezeket összeadjuk, akkor 05-öt kell kapnunk, mert összesen ennyi kockát cseréltek ki. Írjuk fel az összeget, és rendezük is át utána az egyenletet. (1 ) + (3 1 ) + (5 3 ) + (7 5 ) ((n 1) (n 3) ) = (n 3) (n 3) + (n 1) = 05 16

17 Azt tapasztaljuk, hogy páronként kiejtik egymást a tagok, és az egyenlet leegyszer - södik. A piramisnak szintje volt.. Számítsd ki a következ összeget! ( ) ( (n 1) = 05 n =. 19 ) ( ) ( ) (Kalmár László verseny (KMBK) 1985, 7. osztály, megyei forduló ) Megoldás: Els lépésként használjuk ki, hogy a zárójeleken belül a törtek nevez je megegyezik. ( ) ( ) ( ) ( ) = A számlálókat ki tudjuk számolni a sorozat els n elemének összegképletével. ( 19 9 ) + 19 ( ) ( 1 10 ) ( 1 11 ) + + = Kati egy könyv olvasásába kezdett. Els nap 5 oldalt olvasott el, majd naponként mindig 6 oldallal többet, egészen az ötödik napig. A hatodik napon is ugyanannyit olvasott, mint az ötödiken, majd a hátralév napok mindegyikén 6 oldallal kevesebbet az el z napinál. Így az utolsó napon 19 oldalt olvasott volna, de a könyvb l már csak 1 oldal volt hátra. Hány oldalas a könyv? (Varga Tamás matematikai versenyek, 1990/91, 7.osztály megyei forduló) Megoldás: Az els öt napon olvasott oldalak száma egy olyan számtani sorozatot alkot, aminél a 1 = 5, és a d = 6. Ez alapján az els öt napon olvasott oldalak száma: S 5 = (a 1 + a 5 ) 5 = (a 1 + (a 1 + 4d) 5 = 185. Mivel ismerjük a 1 -et és a d-t, ezért azt is meg tudjuk mondani, hogy hány oldalt olvasott az ötödik és a hatodik napon Kati: a 5 = a 1 + 4d = =

18 A 6. naptól az olvasott oldalak száma egy olyan sorozatot alkot, aminek els eleme a 49 és a d = 6. Az utolsó napon 19 oldalt kellet volna olvasnia Katinak, vagyis a sorozat n-edik tagja a 19. Határozzuk meg n értékét. a n = a 1 + (n 1)d 19 = 49 + (n 1)( 6) 6n = 36 n = 6 Ez azt jelenti, hogy Kati még további hat napig olvasott. Számoljuk ki a sorozat els 6 elemének az összegét. S 6 = (a 1 + a 6 ) 6 = ( ) 3 = 04 Mivel az utolsó napon 19 helyett már csak 1 oldal volt vissza, ezért az olvasott oldalak száma: S 5 + S 6 7 = = A pozitív egész számokat a következ háromszög-táblázatba írjuk fel: A táblázat középs sora így kezd dik: 1, 3, 7, 13, 1,... Mi lesz ennek a középs oszlopnak a 100. eleme? (Kalmár László verseny (KMBK) 1998, 7. osztály, megyei forduló ) Megoldás: Alakítsuk át a táblázatot úgy, hogy a középs oszlop elemeit l balra lév számokat csúsztassuk át a következ sor jobb oldalára Ezzel az átalakítással könnyebben észre lehet venni, hogy milyen szabály szerint változik az eredeti táblázat középs sorában az elemek különbsége. 18

19 Írjuk fel a sorok függvényében a dierenciákat. Mivel a különbség mindig -vel n, ezért a sorok számának feltehet en a kétszeresét kell használni a képletben. Innen megsejtjük, hogy: d n = n. Ennek a d n sorozatnak az els 100 elemének az összege adja meg a háromszög-táblázat középs oszlopában ez els és a 100. Innen a keresett elem: 1 + S 100 = 1 + ( ) 100 = elem különbségét. Megjegyzés: A feladatban szerepl háromszög-táblázatról más feladatokban például a következ kérdésekkel találkozhatunk: a) Melyik szám áll az n-edik sor els helyén? b) Mennyi az els n sorban álló számok összege? c) Mennyi az n-dik sorban álló számok összege? Mindegyik feladat megoldásánál felhasználjuk, hogy minden következ sorba két számmal több van írva, mint az el z be. 19

20 4. fejezet 91. osztály 4.1. Számsorozatok, sorozatok Deníció: A végtelen valós számsorozat (röviden számsorozat, sorozat) olyan függvény, amelynek az értelmezési tartománya a pozitív egész számok vagy (megállapodástól függ en) a természetes számok halmaza, az értékkészlete a valós számok egy részhalmaza. Ha az értelmezési tartományt lesz kítjük a pozitív egész számok valamely véges részhalmazára, akkor véges számsorozatról beszélünk. A függvény helyettesítési értékeit a számsorozat elemeinek nevezzük. A számsorozatot többféleképpen jelölhetjük: f: N + R, n f(n) = a n {a n } n=1; {a n }(n N + ), illetve (a n )(n N + ) vagy röviden {a n }, illetve (a n ) n n + 3 (n N + ) a 1, a,..., a n Ahol a n jelöli a számsorozat n-edik (általános) elemét, n ( N + ) pedig az elem indexét (sorszámát). A számsorozatot megadhatjuk: a számsorozat általános elemével: n a n, n N + ; pl. a n = n (n + 1), n N+ a n = (n + 1), n N + 0

21 visszavezethet lépésekkel, vagyis rekuzív módon: tagjait sorban, az el z tagok segítségével tudjuk megadni. Megadjuk a számsorozat néhány elemét, az általános elemet pedig a megel z elem(ek) függvényeként deniáljuk; pl. a 1 = 1, a =, a n = a n + a n 1, n > a 1 = 1, a =, a n = a n 1 + a n, n 3 utasítással; pl. tekintsük a prímszámok növekv sorozatát (e sorozat általános eleme képlettel nem adható meg). a n = az n-edik prímszám a n = { n, ha n páros 1, ha n páratlan A sorozatok függvények, tehát koordináta-rendszerben ábrázolható a grakonjuk. Az N + értelmezési tartomány miatt a sorozatok képe diszkrét pontokból áll. A pontok x koordinátái világosan mutatják, hogy azok a sorozat hányadik tagját jelképezik. Sorozatok jellemzése Az a n sorozat monoton növeked, ha bármely n-re a n < a n+1. Az a n sorozat monoton nemcsökken, ha bármely n-re a n a n+1. Az a n sorozat monoton csökken, ha bármely n-re a n > a n+1. Az a n sorozat monoton nemnöveked, ha bármely n-re a n a n+1. Az a n sorozat alulról korlátosnak nevezzük, ha van olyan k szám, hogy minden n-re a n > k Az a n sorozatot felülr l korlátosnak nevezzük, ha van olyan K szám, hogy minden n-re a n < K Az a n sorozatot korlátosnak nevezzük, ha alulról is korlátos és felülr l is korlátos, azaz ha van olyan k és van olyan K szám, hogy minden n-re k < a n < K Kovnergens és divergens sorozat Az ebben a fejezetben szerepl fogalmakat, állításokat [3] alapján ismertetjük. Deníció. Az (a n ) számsorozat határértéke az A szám, ha A bármely környezetébe a sorozat véges sok elemének kivételével a sorozat minden eleme beletartozik. 1

22 Ezzel ekvivalensek az alábbi deníciók. Deníció. Az (a n ) számsorozat határértéke az A valós szám, ha bármely ε>0 számhoz megadható olyan N(ε-tól függ ) küszöbszám, hogy minden n > N(ε)-ra A ε < a n < A + ε azaz a n A < ε minden n > n 0 egyenl tlenség teljesül. Ekkor azt mondjuk, hogy az (a n ) sorozat konvergens (összetartó). Deníció. Ha egy sorozatnak nincs határértéke, akkor divergensnek (széttartónak) nevezzük. Jelölés. Ha az (a n ) sorozat az A számhoz tart, akkor ezt úgy jelöljük, hogy lim a n = b n a n b, ha n (illetve röviden a n b). A számtani sorozat akkor és csak akkor konvergens, ha elemeinek különbsége zérus, a mértani sorozat akkor és csak akkor konvergens, ha a q hányadosára teljesül a 1 < q 1 A határérték egyértelm sége Ha az (a n ) sorozat konvergens, vagy végtelenhez, vagy mínusz végtelenhez tart, akkor azt mondjuk, hogy (a n )-nek van határértéke. Ha (a n )-nek nincs határértéke, akkor az (a n ) sorozatot oszcillálva divergensnek nevezzük. Tétel Ha egy számsorozat konvergens, akkor korlátos is. Tétel Ha a számsorozat monoton (n vagy csökken) és korlátos, akkor konvergens. Tétel Ha az (a n ) sorozat végtelenhez tart, akkor alulról korlátos és felülr l nem korlátos. Ha az (a n ) sorozat mínusz végtelenhez tart, akkor felülr l korlátos és alulról nem korlátos. Tétel Bármely sorozatnak legfeljebb egy határétéke lehet.

23 4.. Néhány nevezetes sorozat Számtani sorozat A számtani vagy aritmetikai sorozat egy elemi matematikai fogalom, mely a matematika sok részterületén el fordul. Egy legalább három számból álló akár véges, akár végtelen sorozatot akkor nevezünk számtani sorozatnak, ha a szomszédos elemek különbsége egy, a sorozatra jellemz állandó, ez a különbség a sorozat dierenciája. Legegyszer bb példák a számtani sorozatra a (csupa azonos elemb l álló) konstans sorozatok, hiszen ezekben két szomszédos elem különbsége mindig 0; nagyon egyszer példa még a természetes számok sorozata (0, 1,, 3, 4, 5,...) vagy a páros számok sorozata (0,, 4, 6, 8, 10, 1,...). Számtani sorozat elemeinek megadása Általános tag meghatározása 1. Az els taggal kifejezve A sorozat n-edik elemére explicit képlet adható. Mivel a sorozat minden lépésben d-vel növekszik, ezért a n = a 1 + (n 1)d. B vebben, a = a 1 + d; a 3 = a + d = (a 1 + d) + d = a 1 + d ; a 4 = a 3 + d = (a 1 + d) + d = a 1 + 3d; stb. Mindezekb l következik, hogy a n = a n 1 + d = (a 1 + (n )d) + d = a 1 + (n 1)d.. A szomszédos tagokkal kifejezve Amiatt, hogy az egyes elemek az ket megel z elemb l d hozzáadásával kaphatók, levezethet az a tulajdonság, amelyr l a számtani sorozatok nevüket kapták. Ugyanis a sorozat n 1-edik, n-edik és n + 1-edik elemeire (n > 1) fennállnak az a n 1 = a n d és a n+1 = a n + d összefüggések. Tehát (összeadva a fenti egyenl ségeket) 3

24 a n 1 + a n+1 = (a n d) + (a n + d) = a n. Vagyis az n-edik elem a két szomszédos elem számtani közepe (átlaga): a n = a n 1 + a n+1. De érvényes hasonló okok miatt az ennél általánosabb: a n = a n i + a n+i egyenl ség is minden i < n-re. Azaz egy sorozat akkor és csak akkor számtani sorozat, ha bármely eleme számtani közepe a sorozatban t le azonos index-távolságra lév tagoknak. 3. Analitikus szemlélet deníció Az n-edik tagra vonatkozó képletet átrendezve: a n = dn + (a 1 d). Így látható, hogy a számtani sorozatok éppen azok a sorozatok, melyek az n lineáris függvényei, azaz az f(n) = mn + c alakú sorozatok, ahol m, c olyan valós állandók, melyekre m = d és c = a 1 d. Rekurzív deníció A számtani sorozat rekurzív képlete: a n+1 = a n + d, n N +. Ez azt jelenti, hogy a sorozat következ elemét mindig úgy kapjuk, hogy hozzáadjuk az el z taghoz a dierenciát. Ez valóban pontosan azt jelenti, hogy a sorozat szomszédos tagjainak különbsége állandó. Összegzési képlet A sorozat els n tagjának összegét (S n ) a következ ötlettel határozhatjuk meg. Képzeletben írjuk fel egymás mellé az els n tagot, ezek: a 1, a,..., a n. Majd írjuk fel ezek alá a tagokat fordított sorrendben, vagyis a n, a n 1,..., a 1. Számítsuk ki ennek a n darab számnak az összegét. Ez egyrészt a keresett összeg kétszerese, hiszen az els n tag mindegyike pontosan kétszer szerepel. Másrészt pedig az egymás alatt lév 4

25 számok összege éppen a 1 + a n. Összesen n egymás alatti pár van, vagyis az összeg éppen (a 1 + a n )n. De ez az általunk keresett összeg (azaz az els n tag összegének) kétszerese, vagyis a helyes eredmény: S n = (a 1 + a n )n. Ha még azt is felhasználjuk, hogy a n = a 1 + (n 1)d, akkor S n = [a 1 + (n 1)d]n. Ezt a képletet alkalmazva a 1 = 1 és d = 1 esetben, megkapjuk az els n pozitív egész szám összegét, azaz (n+1) n -t vagy másképp: További tulajdonságok 1. Növekedési tulajdonságok n +n. A számtani sorozat monoton növekv és alulról korlátos, ha d > 0. A számtani sorozat monoton csökken és felülr l korlátos, ha d < 0. A számtani sorozat nemnövekv, nemcsökken, azaz állandó, ha d = 0.. Algebrai tulajdonságok Két számtani sorozat összege és különbsége, továbbá egy számtani sorozat valós számszorosa (mint például ellentettje) is számtani sorozat. Konkrétan: ha a n = a 1 + (n 1)d és b n = b 1 + (n 1)e két számtani sorozat, akkor ((a + b) n ) = (a n + b n ) = (a 1 + b 1 + (n 1)(d + e)) is számtani sorozat, melynek els tagja a tagok els tagjai összege, azaz a 1 + b 1, és dierenciája a tagok dierenciáinak összege, azaz d + e. Továbbá ha α R tetsz leges valós szám, akkor α(a n ) = (αa 1 +(n 1)d) is számtani sorozat, els tagja az eredeti sorozat els tagjának α-szorosa; dierenciája az eredeti sorozat dierenciájának α-szorosa. Ez azt jelenti, hogy a valós számtani sorozatok az összeadással kommutatív csoportot 1, illetve a számmal szorzást is hozzávéve, vektorteret alkotnak. 1 A G halmazt csoportnak nevezzük, ha deniálva van rajta egy * kétváltozós m velet, melyre teljesülnek a következ feltételek: a m velet asszociatív; 5

26 Igazolható, hogy két számtani sorozat szorzata mindig másodrend számtani sorozat, hiszen ha a n = a 1 + (n 1)d és b n = b 1 + (n 1)e, akkor a n b n = [a 1 + (n 1)d] [b 1 + (n 1)e] = a 1 b 1 + (n 1)(d + e) + (n 1)de = (a 1 b 1 d e + de) + (d + e de)n + (de)n, ami megfelel a másodrend számtani sorozatok analitikus szemlélet deníciójának, továbbá az ott írtak alapján az is megállapítható, hogy a szorzatsorozat 1. különbségsorozatának dierenciája a tényez k dierenciáinak kétszeres szorzata; (D = de). különbségsorozatának els tagja az 1-gyel megnövelt dierenciák szorzatánál eggyel kisebb ( (ab) 1 = (d + 1)(e + 1) 1); és ami a tagonkénti szorzat deníciójának is egyszer következménye els tagja természetesen a tényez k els tagjainak szorzata Mértani sorozat Mértani sorozatnak nevezzük az olyan sorozatokat, amelyekben a második elemt l kezdve bármelyik tagot az t megel z tagból egy, a sorozatra jellemz q számmal megszorozva kapjuk. Ezt az állandó szorzót idegen szóval kvóciensnek nevezzük, jele: q. A neve (kvóciens, hányados) onnan ered, hogy ha nem 0, akkor felírható a sorozat (másodiktól kezdve) bármelyik tagjának és az azt megel z tag hányadosaként. A mértani sorozat n-edik tagja Legyen a sorozat n-edik tagja a n. Ekkor: a n = a 1 q n 1 vagy a n = a n i a n+i ahol i N. Ez utóbbi azt is jelenti, hogy a mértani sorozat n-edik tagja az (n + i)-edik és az (n i)-edik tagjának a mértani közepe. a G halmaznak van neutrális eleme, azaz e a = a e = a; a G halmaz bármely a eleméhez hozzárendelhet egy olyan a 1 -gyel jelölt G-beli elem (melyet az a elem inverzének nevezünk), hogy a * a 1 = a 1 a = e. Egy G csoportot kommutatívnak, vagy Abel csoportnak nevezünk, ha rajta értelmezett m velet kommutatív, tehát a + b = b + a minden a; b G-re. 6

27 A mértani sorozat els n tagjának összege q 1 esetén: Írjuk fel az els n tag összegét tagonként: S n = a 1 + a 1 q + a 1 q a 1 q n 1. Szorozzuk be az egyenlet mindkét oldalát q-val: S n q = a 1 q + a 1 q a 1 q n. Vonjuk ki a második egyenletb l az els t! S n q S n = a 1 q n a 1 Ebb l S n -t kifejezve: S n = a 1 (q n 1). q 1 Ha q = 1, akkor a mértani sorozat minden tagja egyenl, így: S n = a 1 n. A sorozat els n tagjának szorzata Írjuk fel tényez nként ezt a szorzatot: a 1 (a 1 q) (a 1 q ) (a 1 q 3 )... (a 1 q n 1 ) = a 1 a 1... a } {{ } 1 q q q 3... q n 1 = a n 1 q n 1. ndb Mivel: n 1 = n(n 1) (a számtani sorozatnál látott összegképletet alkalmaztuk), a mértani sorozat els n tagjának szorzata: a n 1 q n(n 1) Fibonacci-sorozat Leonardo Pisaro F ibonacci Liber Abaci cím híres m vében szerepel az alábbi probléma: Hány pár nyúl származik egy évben egyetlen pártól, ha minden pár havonta egy új párt szül és minden új pár kéthónapos korától kezdve válik tenyészképessé, és közben egyetlen nyúl sem pusztul el? (Ebb l a feladatból származik az a sorozat, ami a matematikus nevét meg rizte.) 7

28 A feladat megoldása közben a nyúlpárok számának alakulását vizsgáljuk az id függvényében. Az els két hónapban nem változik a párok száma, a harmadik hónapban az els pár új párnak ad életet, majd a negyedik hónapban is. Az ötödik hónapban az eredeti szül k mellett az új pár is utódokat hoz létre, ekkor az újszülött párok száma már kett vel n. Ha felgyelünk arra, hogy az állomány száma minden hónapban annyival n, ahány legalább két hónapos pár van, akkor könnyen tudjuk követni a nyulak szaporodását. A párok számának alakulását az alábbi táblázat foglalja össze. hónapok (n) nyúlpárok (f n ) Az így kapott számsorozat a Fibonacci-sorozat, amelynek képzési szabálya vagy rekurzív deníciója: f 1 = f = 1 és f n = f n1 + f n ha n >. Fibonacci-típusú sorozatot kapunk, ha Fibonacci-sorozat képzési szabályát megtartjuk, de a két kezd elemet megváltoztatjuk. Egy édekes tétel Állítás: Legyen adott az αβγ szelet, amelyet az αγ egyensesszakasz és az αβγ parabolaív zár közre. Vegyük fel az ε pontot a γ-ban húzott érint n úgy, hogy a felez pontját, és a δβε egyenesszakasz legyen párhuzamos a parabola tengelyével, majd kössük össze a β pontot α és γ-val. Állítom, hogy az αβγ szelet egyharmadával nagyobb az αβγ háromszögnél. Írja Archimédesz. 8

29 Archimédész nem csak matematikai úton, hanem geomatriai úton is bebizonyította az állítást. Ehhez szüksége volt arra, hogy meghatározza az 1/4 kvóciens mértani sorozat els n elemének az összegét (véges eljárással összegezni végtelen sort). Eljárása a következ volt: Legyen a szóbanforgó mértani sorozat els n eleme: a 1, a, a 3,..., a n. A sorozat deníciójából következik, hogy 4 3 a = a a = 1 3 a a 3 = a a 3 = 1 3 a 4 3 a 4 = a a 4 = 1 3 a 3. Összegezve: 4 3 a n = a n a n = 1 3 a n 1 a + a a n (a 1 + a a n ) = 1 3 (a 1 + a + a a n 1 ) Ekkor: Adjunk most mindkét oldalhoz a 1 -et, és vonjunk ki 1 3 (a + a a n 1 ) -et. Így a közelít módszerrel azt kapjuk, hogy a 1 + a + a a n a n = 4 3 a 1 S n = a 1 + a + a a n = 4 3 a a n = 4 3 a amit bizonyítani akartunk. ( ) n 1 1 a 1 = a Indukció, teljes indukció Az indukciós módszernél egyes esetekb l szeretnénk következtetni az általánosra. Ezzel azonban legfeljebb egy sejtéshez juthatunk, de bizonyításhoz nem. A teljes indukció a matematika egyik leggyakrabban használt bizonyítási módszere a természetes számok körében. Az elve a következ : Ha egy tulajdonság igaz az n = 1-re, továbbá ez a tulajdonság olyan természet, hogy örökl dik, vagyis ha igaz n (n N + ) esetében, akkor igaz n + 1-re is, akkor azt kapjuk, hogy a tulajdonsággal az összes természetes szám rendelkezik. A módszer segítségével egyszerre megszámlálhatóan végtelen sok állítást lehet bizonyítani. Az els állítás igazsága és az indukciós lépés együtt már az összes állítás igazságát is bizonyítja. [11], [1], [13], [14], [15] 9

30 4.3. Feladatok 1. Egy mértani sorozat öt szomszédos eleme közül a páratlan index elemek összege 63, a páros index elemek összege pedig 30. Melyik ez a sorozat? [14] Megoldás: A keresett mértani sorozat els eleme legyen a, és a hányadosa q. a + aq + aq 4 = 63 aq + aq 3 = 30 a(1 + q + q 4 ) = 63 a(q + q 3 ) = 30. Feltéve, hogy a 0, q 0, (q + 1) 0, osszuk el az els egyenletet a másodikkal. Rendezzük az egyenletet. 1 + q + q 4 = 1 q + q q 4 1q q 1q + 10 = 0 10q + 10 q 1q 1 q + 10 = 0 Vezessünk be új jelölést: t = q + 1 q, t = q + 1 q +. A behelyettesítés után a következ másodfokú egyenletet kell megoldani: 10(t ) 1t + 10 = 0. A másodfokú egyenlet megoldóképlete alapján: t 1 = 5, és t = 5. Innen a q-ra a következ másodfokú egyenleteket kapjuk: q 1 5 q = 0, és q + 5 q + 1 = 0. A másodfokú egyenlet megoldóképlete alapján: q 1,1 =, q 1, = 1 ; a q -re nem kapunk megoldást a természetes számok halmazán. A keresett sorozatok: a = 48, q = 1 ; és a = 3, q =.. Bizonyítsuk be, hogy minden n pozitív egész szám esetében a következ szám egész szám: F n = (1+ 5) n (1 5) n n. [16] 5 Megoldás: A teljes indukció segíségével bizonyítjuk be a feladatot. Ha n helyére behelyettesítjük az 0, 1,, 3, 4, 5, 6, 7 számokat, akkor az n = 0, 1 értékekre azonnal látszik, hogy a fenti érték éppen 0, illetve 1, n = esetében pedig megkapjuk az 1-et. n = 3, 4, 5, 6, 7... esetében rendre a következ eredményeket kapja:, 3, 5, 8,... 30

31 Ezek a számok pedig a Fibonacci sorozat els néhány tagja, csak a szokásostól eltér en nem az els, hanem az úgynevezett 0-dik taggal kezd dik. A harmadiktól kezd d en bármelyik tag az el z kett összegével egyenl : Azt kell megmutatni, hogy: (1 + 5) n (1 5) n n 5 + (1 + 5) n+1 (1 5) n+1 n+ 5 = (1 + 5) n+ (1 5) n+ n+1 5 Hozzuk közös nevez re a törteket: (1 + 5) n (1 5) n n 5 + (1 + 5) n+1 (1 5) n+1 n+ 5 = = (1 + 5) n (6 + 5) (1 5) n (6 5) n+ 5 = (1 + 5) n+ (1 5) n+ n+ 5 = éppen ezt szerettük volna bizonyítani. A fenti összefüggés éppen a Fibonacci sorozat n-dik tagját adja meg. Megjegyzés: Ha egy szakaszt két részre felosztunk úgy, hogy a nagyobbik és kisebbik rész aránya megegyezzen az egész és a nagyobbik rész arányával, azaz: az a b a = a+b b a, akkor arányra a (1 + 5) és (1 5) értékeket kapjuk. Egy szakasz ily módon való felosztását aranymetszésnek nevezik. 3. Egy számtani sorozat els három elemének összege 105. Ha a harmadik számhoz 180-at adunk egy mértani sorozat els három eleméhez jutunk. Melyek ezek? [13] Megoldás: a 1 + a + a 3 = 105 Ha a harmadik taghoz 180-at adunk, akkor egy mértani sorozat szomszédos tagjait kapjuk, tehát: a = a 1 (a ). Írjuk fel mindkét összefüggést a 1 és d segítségével: (I.) a 1 + a 1 + d + a 1 + d = 105 3a 1 + 3d = 105 a 1 + d = 35 (II.) (a 1 + d) = a 1 (a 1 + d + 180). Fejezzük ki az I. kifejezésb l d-t: 31

32 d = 35 a 1, helyettesítsük ezt a II. kifejezésbe: (a a 1 ) = a 1 (a 1 + (35 a 1 ) + 180) a 1 50a = 0. A másodfokú egyenletet gyökei: a 1 = 5 vagy a 1 = 45. Az els esetben a 1 = 5; a = 35; a 3 = 65. A második esetben a 1 = 45; a = 35; a 3 = Versenyfeladat 1. Kétfordulós labdarugó-bajnokságban 8 csapat vesz részt. Egy mérk zés után pontot kap a nyertes; döntetlen esetén minkét csapat 1-1 ponot kap. A bajnokság végén a csapatok pontszámai egy szigorúan csökken számtani sorozat egymást követ elemeivel egyenl ek, és minden csapat szerzett pontot. Meg lehet-e adni a pontverseny végeredményét csupán ennyi adatból? (Országos Szakközépiskolai Tanulmányi Verseny, 1984.) Megoldás: A vesztes csapat pontszáma legyen a 1. A pontszámok a következ ek: a 1, a 1 + d,. a 1 + 7d, ahol a 1 > 0, d a számtani sorozat dierenciája, (a és d egészek). A 8 csapat összesen 8 7 = 56 meccset játszott. Ez azt jelenti, hogy a megszerezhet pontok száma 11. Ezzel megegyezik a sorozatunk tagjainak összegével. S n = a 1 + a 1 + 7d = (a 1 + 7d) 4 a 1 = 7 (4 d) A jobb oldalon a (4 d) egész szám, és a 7 prímszám, ezért a 1 -nek oszthatónak kell lennie 7-tel. A bal oldal osztható kett vel, ezért a jobb oldal is. Mivel 7 nem osztható -vel, ezért a 7 (4 d) szorzatnak csak úgy lehet osztója, ha osztója (4 d)-nek, ami úgy lehetséges, ha osztója d-nek. a 1 = 14 7 d Mivel a 1 és d is pozitív szám, ezért csak a d = eset lehetséges, ekkor a 1 = 7. pontszámok sorozat: 1, 19, 17, 15,13, 11, 9, 7 lehet csak. A 3

33 4.5. KöMaL Feladatok B Mely k pozitív egész esetén fordul el az 1 az (a n ) sorozat elemei között, ha a 1 = k, és a n+1 = an, ha a n páros, illetve a n+1 = a n + 5, ha a n páratlan? Megoldás: A képzési szabály szerint a sorozat minden eleme pozitív egész szám, és vagy minden elem osztható 5-tel, vagy egyik sem. Így ha k osztható 5-tel, akkor a sorozat elemei között az 1 nem fordulhat el. Megmutatjuk, hogy minden más esetben viszont el fordul. Tegyük fel tehát, hogy a sorozat egyik eleme sem osztható 5-tel. Ha a n páros, akkor a n+1 = an < a n, ha pedig páratlan, akkor a n+ = an+5 < a n, feltéve, hogy a n > 5. Mivel a n = 5 most nem lehet, ez azt mutatja, hogy a sorozat minden 4-nél nagyobb eleme után található a sorozatban egy nála kisebb elem. Ez pedig azt jelenti, hogy el bb vagy utóbb a sorozatban megjelenik egy olyan a n elem, amelyre a n 4. Ha a n = 1, akkor készen vagyunk, ha a n =, akkor a n+1 = 1, ha a n = 4, akkor a n+ = 1, ha pedig a n = 3, akkor a n+4 = 1. B Az (a n ) sorozatot a következ rekurzióval deniáljuk: a 0 = 0, a 1 = 1, n > 1 esetén pedig a n = a n 1 + a n. Igazoljuk, hogy ha k n, akkor k a n. Megoldás: Ha n = 0, akkor az állítás nyilván igaz, így elegend annyit megmutatni, hogy minden m pozitív egész számra a m a m teljesül. Ekkor ugyanis k szerinti teljes indukcióval könnyen megmutatható, hogy k a m a k m, tehát n = km esetén, lévén a sorozat elemei egész számok, k a n valóban teljesül. A sorozat képzési szabálya szerint a m = a m+1 a m 1, ahonnan a m+1 a m 1 (mod a m ) Most i szerinti teljes indukcióval megmutatjuk, hogy minden 0 i m esetén a m+i ( 1) i+1 a m 1 (mod a m ) teljesül. Ez i = 0 esetén magától értet d, i = 1 esetén pedig az imént láttuk be. Ha pedig i m és kisebb i értékek esetén az állítást már igazoltuk, akkor a m+i = a m+i 1 + a m+i ( 1) i a m i+1 + ( 1) i 1 a m i+ (mod a m ) és itt a jobb oldalon tényleg( 1) i+1 a m i = ( 1) i+1 (a m i+ a m i+1 ) áll. A kapott eredményt i = m esetén alkalmazva adódik, ami éppen azt jelenti, hogy a m a m. Ebben a fejezetben szerepl feladatok és megoldások a 1. hivatkozásban megjelölt helyr l származnak 33

34 Megjegyzés: Ez a feladat azért ragadta meg az érdekl désemet, mert a képzési szabálya emlékeztet a Fibonacci-típusú sorozat képzési szabályára. B Milyen n-ekre érhet el, hogy a ±1 ± ±... ± n alakú összegek között szerepeljen a 100? Megoldás: Az els n darab természetes szám öszege S n = (1+n)n. Mivel S n értékét mindig egy szám kétszeresével csökkentjük, ezért a 100-at csak páros S n -b l kiindulva érhetjük el. S 13 = 91 még kevés, S 14 = 105 páratlan, viszont S 15 = 10, így ha az összegben a 10 el jelét negatívra változtatjuk, akkor pont 100 lesz az eredmény: = 100. S 16 = 136, = 36, így = 100. Bármely négy egymást követ egész szám el jele változtatható úgy, hogy az így kapott négy szám összege 0 legyen: a (a + 1) (a + ) + (a + 3) = 0, így ha n = 4k + 15 vagy n = 4k + 16, akkor meg tudjuk változtatni az el jeleket a kívánt módon. Ha n = 4k + 1, akkor, ami páratlan. Ha n = 4k +, akkor, ez is páratlan, ezekre az n-ekre tehát nem kaphatunk 100-at. összegezve: pontosan akkor kaphatunk 100-at, ha n = 4k, vagy ha n = 4k

35 Összefoglalás A dolgozatomban a tankönyvek alapján a három fejezetben fokozatosan épül fel, hogy a középiskolai tanulmányok végére, milyen általános ismeretekkel rendelkeznek a diákok a sorozatokról. Minden fejezetet feladtokkal zárok le. Ezeket egy részével az órákon is találkoznak a tanulók, és akadnak olyanok is amik inkább csak szakkörökön vagy versenyeken kerülnek el. Ahogy b vülnek az ismeretek, úgy egyre összetettebb feladatok kerülnek el. Találkozunk olyan feladatokkal is, amiknél már nem elegend a sorozatokra vonatkozó deníciók ismerete. A megoldához szükség van arra is, hogy a más témakörökb l származó ismereteinket is fel tudjuk használni. 35

36 Köszönetnyilvánítás A dolgozat átnézéséért köszönetet mondok évfolyamtársamnak, Szalai Gábornak. 36

37 Felhasznált irodalom 1. Békéssy Szilvia, dr. Fried Katalin, Korándi József, Paróczay József, Számadó László, Tamás Beáta: Matematika 5. (Nemzeti Tankönyvkiadó Rt.,Budapest, 006). Békéssy Szilvia, dr. Fried Katalin, Korándi József, Paróczay József, Számadó László, Tamás Beáta: Matematika 5. Feladatgy jtemény (Nemzeti Tankönyvkiadó Rt.,Budapest, 006) 3. Békéssy Szilvia, dr. Fried Katalin, Korándi József, Paróczay József, Számadó László, Tamás Beáta: Matematika 6. (Nemzeti Tankönyvkiadó Rt.,Budapest, 006) 4. Békéssy Szilvia, dr. Fried Katalin, Korándi József, Paróczay József, Számadó László, Tamás Beáta: Matematika 6. Feladatgy jteményt (Nemzeti Tankönyvkiadó Rt.,Budapest, 006) 5. Bölcskei Attila, Kaposiné Pataky Krisztina, Dr. Szabadi László, Szokol ágnes: Matematika 7 8. osztályosok számára, (M szaki Könyvkiadó, Budapest, 00) 6. Békésss Szilvia, dr. Fried Katalin, Korándi József, Paróczay József, Számadó László, Tamás Beáta: Matematika 7. évfolyam, (Nemzeti Tankönyvkiadó Zrt., Budapest, 006) 7. Csahóczi Erzsébet, Csatár Katalin, Kovács Csongorné Morvai Éva, Széplaki Györgyné, Szeredi éva: Matematika 7. osztály I. kötet (Apáczai Kiadó, Celdömölk, 008) 8. Dr. Andrási Tiborné, Dr, Czeglédy Istvánné, Dr. Hajdú Sándor, Dr. Czeglédy István, Novák Lászlóné, Dr. Sümegi Lászlóné, Szalontay Tibor: Matematika Fealdatgy jtemény 7-8. osztály számára (Nemzeti Tankönyvkiadó, Budapest, 1990) 37

38 9. Dr. Czeglédy István, Dr, Czeglédy Istvánné, Dr. Hajdú Sándor, Novák Lászlóné, Dr. Sümegi Lászlóné, Szalontay Tibor, Zankó Istvánné: Matematika 8. (M szaki kiadó, Budapest, 006) 10. Kosztolányi József, Mike János, Palánkainé Jakab ágnes, Dr. Szederkényi Antalné, Vincze István: Matematika összefoglaló feladatgy jtemény éveseknek (Mozaik Oktatási Stúdió, Szeged, 1993) 11. dr. Korányi Erzsébet, dr. Urbán János: Matematika IV. osztály (Tankönyvkiadó, Budapest, 1986) 1. dr. Korányi Erzsébet: Matematika III. osztály /fakultatív A osztály/ (Tankönyvkiadó, Budapest, 1983) 13. Hajnal Imre, Számadó László, Békessy Szilvia: Matematika 1. gimnáziumok számára (Nemzeti Tankönyvkiadó, Budapest, 004) 14. Czapáry Endre, Gyapjas Ferenc: Matematika a középiskolák 1. évfolyama számára (Nemzeti Tankönyvkiadó, Budapest, 004) 15. Blázsovics József: Ennyit kell(ene) tudnod matematikából (Akkor kiadó kft és Panem Kft, Budapest, 1994) 16. Blázsovics József: Ötösöm lesz matematikából példatár (Novotrade Kiadó, 1990) 17. Török Judit: A Fibonacci sorozat (Középiskolai szakköri füzet, Tankönyvkiadó, Budapest, 1984) klukovit/hallgatoknak/mattort/mattort0607/ gorog.pdf klukovit/hallgatoknak/mattort/mattort0809/ archim.pdf 0. Kd6.html 1. Radnainé Szendrei Julianna: Szakközépiskolai versenyek matematikafeladatai mindnekinek (Tankönyvkiadó, Budapest, 1988) 3. Laczkovich Miklós, T. Sós Vera: Analízis I.(Nemzeti Tankönykiadó, Budapest, 006) 38