O teleskopických součtech a součinech



Podobné dokumenty
Edita Kolářová ÚSTAV MATEMATIKY

Úlohy krajského kola kategorie A

Skalární součin je nástroj, jak měřit velikost vektorů a úhly mezi vektory v reálných a komplexních vektorových prostorech.

Součin matice A a čísla α definujeme jako matici αa = (d ij ) typu m n, kde d ij = αa ij pro libovolné indexy i, j.

Kapitola 11. Vzdálenost v grafech Matice sousednosti a počty sledů

Teorie. kunck6am/ (a) lim. x x) lim x ln ) = lim. vnitřní funkce: lim x. = lim. lim. ln(1 + y) lim = 1,

4. Lineární nerovnice a jejich soustavy

55. ročník matematické olympiády

Diferenciál funkce. L Hospitalovo pravidlo. 22. a 23. března 2011

Úlohy klauzurní části školního kola kategorie A

15. Goniometrické funkce

Teorie. Hinty. kunck6am

Gymnázium, Brno. Matice. Závěrečná maturitní práce. Jakub Juránek 4.A Školní rok 2010/11

Příklad. Řešte v : takže rovnice v zadání má v tomto případě jedno řešení. Pro má rovnice tvar

Úlohy klauzurní části školního kola kategorie A

GONIOMETRIE. 1) Doplň tabulky hodnot: 2) Doplň, zda je daná funkce v daném kvadrantu kladná, či záporná: PRACOVNÍ LISTY Matematický seminář.

1 Projekce a projektory

Teorie. Hinty. kunck6am

zejména Dijkstrův algoritmus pro hledání minimální cesty a hladový algoritmus pro hledání minimální kostry.

Úlohy klauzurní části školního kola kategorie A

Y36BEZ Bezpečnost přenosu a zpracování dat. Úvod. Róbert Lórencz. lorencz@fel.cvut.cz

Slovní úlohy v učivu matematiky 1. stupně základní školy

Úlohy krajského kola kategorie A

(Auto)korelační funkce Statistické vyhodnocování exp. dat M. Čada ~ cada

D DE = = + [ + D[ [ D = - - XY = = + -

KATEDRA INFORMATIKY UNIVERZITA PALACKÉHO LINEÁRNÍ ALGEBRA 1 OLGA KRUPKOVÁ VÝVOJ TOHOTO UČEBNÍHO TEXTU JE SPOLUFINANCOVÁN

Základy matematické analýzy

Matematika 1 pro PEF PaE

Praha & EU: investujeme do vaší budoucnosti. Daniel Turzík, Miroslava Dubcová,

Projekt OPVK - CZ.1.07/1.1.00/ Matematika pro všechny. Univerzita Palackého v Olomouci

Projekt OPVK - CZ.1.07/1.1.00/ Matematika pro všechny. Univerzita Palackého v Olomouci

1 L Hospitalovo pravidlo

Matematika I (KMI/PMATE)

Diferenciální počet 1 1. f(x) = ln arcsin 1 + x 1 x. 1 x 1 a x 1 0. f(x) = (cos x) cosh x + 3x. x 0 je derivace funkce f(x) v bodě x0.

UNIVERSITA PALACKÉHO V OLOMOUCI PŘÍRODOVĚDECKÁ FAKULTA. KATEDRA MATEMATICKÉ ANALÝZY A APLIKACÍ MATEMATIKY školní rok 2009/2010 BAKALÁŘSKÁ PRÁCE

Radián je středový úhel, který přísluší na jednotkové kružnici oblouku délky 1.

19 Hilbertovy prostory

0.1 Funkce a její vlastnosti

Polibky kružnic: Intermezzo

Matematika (KMI/PMATE)

Lineární algebra : Metrická geometrie

1. Alternativní rozdělení A(p) (Bernoulli) je diskrétní rozdělení, kdy. p(0) = P (X = 0) = 1 p, p(1) = P (X = 1) = p, 0 < p < 1.

Exponenciála matice a její užití. fundamentálních matic. Užití mocninných řad pro rovnice druhého řádu

. Určete hodnotu neznámé x tak, aby

6. série. Všehochuť úloha Dokažte, že rovnice x x 9 99 =0. má dva různé reálné iracionální kořeny.

Lenka Zalabová. Ústav matematiky a biomatematiky, Přírodovědecká fakulta, Jihočeská univerzita. zima 2012

Úlohy II. kola kategorie A

Sbírka příkladů z matematické analýzy II. Petr Tomiczek

4.3.8 Vzorce pro součet goniometrických funkcí. π π. π π π π. π π. π π. Předpoklady: 4306

0.1 Úvod do matematické analýzy

Regulární matice. Věnujeme dále pozornost zejména čtvercovým maticím.

PŘEDNÁŠKA 2 POSLOUPNOSTI

Návody k domácí části I. kola kategorie A

Projekt OPVK - CZ.1.07/1.1.00/ Matematika pro všechny. Univerzita Palackého v Olomouci

64. ročník matematické olympiády Řešení úloh krajského kola kategorie A

Důkazové metody v teorii čísel

Paradoxy nekonečna. Co analyzuje Matematická analýza? Nekonečné procesy. n(n + 1) + = n 2 + = π2 6

Funkce zadané implicitně

Matematická analýza III.

5. Maticová algebra, typy matic, inverzní matice, determinant.

Číselné posloupnosti

Úlohy domácí části I. kola kategorie B

arcsin x 2 dx. x dx 4 x 2 ln 2 x + 24 x ln 2 x + 9x dx.

Hammingův odhad. perfektní kódy. koule, objem koule perfektní kód. triviální, Hammingův, Golayův váhový polynom. výpočet. příklad

Kapka kapaliny na hladině kapaliny

Skalární součin dovoluje zavedení metriky v afinním bodovém prostoru, tj. umožňuje nám určovat vzdálenosti, odchylky, obsahy a objemy.

Otázky z kapitoly Stereometrie

MATEMATICKÁ OLYMPIÁDA

Symetrické funkce. In: Alois Kufner (author): Symetrické funkce. (Czech). Praha: Mladá fronta, pp

kuncova/, 2x + 3 (x 2)(x + 5) = A x 2 + B Přenásobením této rovnice (x 2)(x + 5) dostaneme rovnost

pro každé i. Proto je takových čísel m právě N ai 1 +. k k p

ϵ = b a 2 n a n = a, pak b ϵ < a n < b + ϵ (2) < ϵ, což je spor, protože jsme volili ϵ = b a


MATEMATIKA Charakteristika vyučovacího předmětu 2. stupeň

SBORNÍK ODBORNÝ PŘÍRODOVĚDNÝ KEMP

3. Matice a determinanty

2. V Q[x] dělte se zbytkem polynomy:

MATEMATICKÁ OLYMPIÁDA

1. Několik základních pojmů ze středoškolské matematiky. Na začátku si připomeneme následující pojmy:

Matematická indukce, sumy a produkty, matematická logika

Zajímavé matematické úlohy

DIGITÁLNÍ ARCHIV VZDĚLÁVACÍCH MATERIÁLŮ

Limita a spojitost funkce a zobrazení jedné reálné proměnné

Posloupnosti a řady. 28. listopadu 2015

FAKULTA STAVEBNÍ VUT V BRNĚ PŘIJÍMACÍ ŘÍZENÍ PRO AKADEMICKÝ ROK

3. ročník, 2013/ 2014 Mezinárodní korespondenční seminář iks

9. cvičení z Matematické analýzy 2

61. ročník matematické olympiády III. kolo kategorie A. Hradec Králové, března 2012

3. Polynomy Verze 338.

Učební text k přednášce UFY008

Příklad 1 ŘEŠENÉ PŘÍKLADY Z M1A ČÁST 12. a) 3 +1)d. Vypočítejte určité integrály: b) 5sin 4 ) d. c) d. g) 3 d. h) tg d. k) 4 arctg 2 ) d.

Co víme o přirozených číslech

2.2. SČÍTÁNÍ A NÁSOBENÍ MATIC

Úvod do informatiky. Miroslav Kolařík

Vybrané kapitoly z matematiky

MATEMATICKÁ OLYMPIÁDA

METODICKÉ LISTY. výstup projektu Vzdělávací středisko pro další vzdělávání pedagogických pracovníků v Sokolově

Těleso racionálních funkcí

POLYNOMY 1 Jan Malý UK v Praze a UJEP v Ústí n. L. 1. Přehled teorie

Fibonacciho čísla na střední škole

Transkript:

O teleskopických součtech a součinech JAROSLAV ŠVRČEK Přírodovědecká fakulta UP, Olomouc Stanovení součtusoučinu) několika číselčlenů číselné posloupnosti vyhovující danému předpisu) a řešení úloh, které s touto problematikou souvisejí, patří v oblasti školské matematiky mezi oblíbené celky jak pro žáky, tak i pro učitele matematiky. Na druhé straně je třeba konstatovat, že se žáci při výuce matematiky hlouběji seznamují pouze se součty několika členů aritmetické či geometrické posloupnosti, což představuje jen velmi omezený celek znalostí z uvedené oblasti. Tento článek je určen především těm učitelům matematiky, jejich žákům a dalším zájemcům, kteří se chtějí o uvedené problematice dovědět něco navíc. Cílem příspěvku je seznámit čtenáře s metodou teleskopických součtů a součinů. Jak již název napovídá, princip této metody je založen na cíleném rozšíření prodloužení )danéhosoučtusoučinu)několikačíseltakovýmzpůsobem,aby jej vzápětí bylo možno výrazně zjednodušit, tj. co nejvíce snížit počet jeho sčítancůčinitelů). Toho lze dosáhnout, pokud každý ze sčítanců lze přepsat ve tvaru vhodného rozdílu tak, že většina členů takto upraveného součtu se v závěru navzájem zruší. Takový postup představuje jistou analogii s činností velkého dalekohleduteleskopu), který je potřeba před vlastním použitím zpravidla prodloužit o určitý počet článků tak, abychom s ním mohli dál efektivně pracovat odtud název metody). Zájemcům o tuto problematiku je možno doporučit také některé zahraniční zdroje, které jsou zaměřeny především na práci s matematicky talentovanými žáky. Patří mezi ně také obě publikace uvedené na konci článku. V první části příspěvku je prezentováno využití metody teleskopických součtů při řešení několika konkrétních úloh. Druhá část článku je pak věnována problematice teleskopických součinů.. Teleskopické součty Uveďme nejprve několik snazších úloh. Příklad Určete hodnotu výrazu + + 4 +...+ nn+). Řešení.Uvažujme k-týsčítaneck,,..., n)danéhosoučtu,prokterýplatí kk+) k+) k kk+) k k+. )

V daném součtu nahradíme každý sčítanec rozdílem dvou zlomků podle). Dostaneme tak + + 4 +...+ nn+) ) + ) +...+ n n+ ) n+ n n+. Všimněme si, že uvedené řešení je založeno na následující skutečnosti: Každý sčítanec je nahrazen rozdílem dvou zlomkův podstatě jde o rozšíření daného součtu, přesněji zdvojnásobení počtu jeho členů, s cílem výrazně v závěru zjednodušit upravený tvar součtu). Poznámka. K rozkladu) lze dospět také jinak využitím metody neurčitých koeficientů při rozkladu k-tého sčítance na tzv. parciální zlomky. Jde o nalezení reálných čísel A a B, která pro každé k přirozené vyhovují vztahu kk+) A k + B k+. Tatoúlohavedenařešenísnadnésoustavydvoulineárníchrovnic A+B0a Aoneznámých A, B.Jejířešení A, B vedekvýšeodvozenému rozkladu). Podobným způsobem lze stanovit např. hodnotu součtu + 4 + 4 5 +...+ nn+)n+). Příklad Dokažte,žeprokaždépřirozenéčíslo n >platínerovnost + +...+ n <. Řešení.Prokaždé kpřirozené k >platínerovnost k < k )k. Využitímtétonerovnostipro k,,..., navyužitímvýsledkuzpříkladu dostaneme postupně + +...+ n < + + 4 +...+ n )n n <, což jsme chtěli dokázat.

Příklad Dokažte, že pro každé n přirozené platí nerovnost + + + ++ +...+ ++...+n <. Řešení. Vzhledem k tomu, že pro každé přirozené číslo k platí ++...+k kk+) je daná nerovnost ekvivalentní s nerovností + + 4 +...+ nn+) <. Po snadné úpravě však dostáváme přímo nerovnost dokázanou v předešlém příkladu. Příklad 4 Dokažte, že platí následující rovnost + + + +...+, 99+ 00 9. Řešení. Usměrníme-li každý sčítanec na levé straně rovnosti, získáme pouhým teleskopickýmzjednodušením celéhovýrazunalevéstraně + + + +...+ 99+ 00 )+ )+...+ 00 99) 00 0 9, což bylo třeba dokázat. Příklad 5 Dokažte následující nerovnosti a)! +! +...+00 0! <, b)!+!+! + 4!+!+4! +...+ 0 009!+00!+0! <.

Řešení. a)podobnějakovpříkladuupravímenejprve k-týsčítaneck,,...,00) na levé straně nerovnosti následujícím způsobem Pak platí k k+) k+)! k+)! k! k+)!. )! + 99 +...+! 00!! +!!!) +...+ 00! ) 0! což jsme chtěli dokázat. 0! <, b) Jednotlivé sčítance na levé straně nerovnosti upravíme pomocí následující identity.provšechna k,4,...,0platí k k )!+k )!+k! k k k )! kk )! k k! k )! k!. Pomocí ní upravíme každý sčítanec na levé straně nerovnosti a dostaneme tak!+!+! + 4!+!+4! +...+ 0 009!+00!+0!!!) +! 4!) +...+ 00! ) 0!! 0! <. Tím je důkaz i této nerovnosti uzavřen. Analogickým způsobem využitím metody teleskopických součtů) lze řešit také následující úlohy. U každé z nich je uveden stručný návod, pomocí něhož se každý ze zájemců o tuto problematiku může samostatně pokusit o její řešení. Příklad 6 Určete hodnotu součtu ++ 4 + + 4 +9 +...+ [Návod: Využijte rovnost + + k+) k + k+) k k k+) 4 + n + n+).

a dále po úpravě jednotlivých sčítanců metodu teleskopických součtů.] Příklad 7 Určete hodnotu součtu S n sin x+sinx+sinx+...+sin nx. [Návod: Pro využití metody teleskopických součtů vynásobte nejprve každý člen součtuvýrazemsin x adálevyužijtevzorec sinkxsin x cosk )x cos k+)x pro k,,..., n.] Poznámka. Podobně lze stanovit také hodnotu součtu C n cos x+cosx+cosx+...+cosnx. Příklad 8. USAMO, 99) Dokažte rovnost cos0 cos + cos cos +...+ cos cos88 cos89 sin. [Návod:Oběstranydokazovanérovnostivynásobtevýrazemsin adálevyužijte následující rovnostargumenty goniometrických funkcí uvažujte ve stupních) pro k0,,,...,88.] sin cosk+)sin k sink+)cosk cos kcosk+) coskcosk+) Příklad 95. USAMO, 996) Dokažte rovnost sin +4sin4 +...+78sin78 90cotg. [Návod:Oběstranydokazovanérovnostivynásobtevýrazemsin adálevyužijte identituargumenty goniometrických funkcí uvažujte ve stupních) pro k,,...,89.] sinksincosk ) cosk+). 5

. Teleskopické součiny Ve druhé části se zaměříme na prezentaci metody teleskopických součinů. S uvedenou problematikou se mj. mohli setkat již řešitelé. ročníku Matematické olympiády v kategorii Aviz příklady 4 a 5), které ponecháváme čtenářům k samostatnému procvičení. Příklad 0 Dokažte nerovnost 4... 99 00 < 0. Řešení. Označme A 4... 99 00 a B 4 5... 00 0. Protože pro všechna n přirozená platí očividně nerovnost n n+ < n+ n+, obdržímevyužitím teleskopickéhozkrácení většinyčinitelůvčitateliajmenovateli zlomkusoučinu) A B postupně následující odhady A < A B < 0 < 00, tj. A < 0, což přímo dokazuje danou nerovnost. Příklad Dokažte nerovnost + ) + ) )... + <. 4 009 0 Řešení. Každý z činitelů na levé straně dokazované nerovnosti upravíme následujícímzpůsobem:prokaždé k,,...,00platí + k )k+) k k )k+). Uvažovaný součin upravíme pomocí této rovnosti a dále využijemestejně jako vpředchozímpřípadě) teleskopickézkrácení celéhovýrazu.dostanemetak Tím je důkaz uzavřen. 4 4 5... 00 00 009 0 0 <. 6

Zcela analogicky lze postupovat také při důkazu následující identity. O její snadný důkaz se můžete pokusit samostatně. Příklad. Dokažte,žeprovšechna n >přirozenárovnost ) )... ) 4 9 n n+ n. Příklad. Dokažte,žeprokaždépřirozenéčíslo n >platínerovnost + +... n + n <. Řešení.Využitímvzorců a +b a+b)a ab+b ), a b a b)a +ab+b ), ježplatíprolibovolnáreálnáčísla a, b,dostanemespeciálnívolbou a,,..., n a b + +... n + n 7 4 7 5... n+)n n+) n )n + n+). Protožepro k,,..., n platírovnost k+) k+)+k + k+, lze poslední součin upravitpo teleskopickém zkrácení) do tvaru 7 4 5 7... n+)n n+) n )n + n+) nn+) n + n+ n + n n + n+ <. Tím je důkaz nerovnosti uzavřen. Závěrečné dvěna sebe navazující úlohy) jsou určeny čtenářům k samostatnému procvičení problematiky této části příspěvku. Příklad 4. ročník MO, A II a) Dokažte,žeprovšechnapřirozenáčísla n >platí + ) 4 + 8 9 )... 7 + n n n ) n+) 4n Příklad 5.. ročník MO, A III ) Dokažte, že pro všechna přirozená čísla n > platí nerovnost ) )... ) > 8 7 n.. 7

Literatura [] Andreescu, T. Gelca, R.: Mathematical Olympiad Challanges. Birkäuser. Boston 000. [] Larson, L. C.: Metódy riešenia matematických problémov. Vyd. Alfa, Bratislava 990. Příspěvek vznikl za podpory projektu OPVK CZ..07/../0.007. 8