V tomto článku popíšeme zajímavou úlohu (inspirovanou reálnou situací),

Podobné dokumenty
MATEMATIKA. který byl zveřejněn v našem časopise v roce V tomto navazujícím

South Bohemia Mathematical Letters Volume 23, (2015), No. 1, DĚLENÍ KRUHU NA OBLASTI ÚVOD

Fibonacciho čísla na střední škole

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

4. Kombinatorika a matice

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

Matematika III. Miroslava Dubcová, Daniel Turzík, Drahoslava Janovská. Ústav matematiky

a se nazývá aritmetická právě tehdy, když existuje takové číslo d R

Nechť je číselná posloupnost. Pro všechna položme. Posloupnost nazýváme posloupnost částečných součtů řady.

Zimní semestr akademického roku 2014/ prosince 2014

Zajímavé matematické úlohy

Principy indukce a rekursivní algoritmy

12 DYNAMIKA SOUSTAVY HMOTNÝCH BODŮ

1 Polynomiální interpolace

POSLOUPNOSTI A ŘADY INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ. Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky

INTEGRÁLY S PARAMETREM

Zpracoval: 7. Matematická indukce a rekurse. Řešení rekurentních (diferenčních) rovnic s konstantními koeficienty.

Úvod do matematiky. Mgr. Radek Horenský, Ph.D. Důkazy

POSLOUPNOSTI A ŘADY INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ

Úvod do řešení lineárních rovnic a jejich soustav

Posloupnosti a jejich limity

Definice (Racionální mocnina). Buď,. Nechť, kde a a čísla jsou nesoudělná. Pak: 1. je-li a sudé, (nebo) 2. je-li liché, klademe

Základy matematické analýzy

Úlohy klauzurní části školního kola kategorie A

PŘEDNÁŠKA 2 POSLOUPNOSTI

Zimní semestr akademického roku 2014/ prosince 2014

Komplexní čísla, Kombinatorika, pravděpodobnost a statistika, Posloupnosti a řady

Nápovědy k numerickému myšlení TSP MU

Figurální čísla, Pascalův trojúhelník, aritmetické posloupnost vyšších řádů

Aritmetická posloupnost druhého řádu

Číselné posloupnosti

Úlohy krajského kola kategorie A

Zajímavé matematické úlohy

Úlohy klauzurní části školního kola kategorie B

Úlohy klauzurní části školního kola kategorie A

ANALYTICKÁ GEOMETRIE V ROVINĚ

KOMPLEXNÍ ČÍSLA INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ

Úlohy krajského kola kategorie C

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

Matematika 2 Úvod ZS09. KMA, PřF UP Olomouc. Jiří Fišer (KMA, PřF UP Olomouc) KMA MA2AA ZS09 1 / 25

NMAF 051, ZS Zkoušková písemná práce 16. ledna 2009

(4x) 5 + 7y = 14, (2y) 5 (3x) 7 = 74,

M - Pythagorova věta, Eukleidovy věty

Matematika Kvadratická rovnice. Kvadratická rovnice je matematický zápis, který můžeme (za pomoci ekvivalentních úprav) upravit na tvar

55. ročník matematické olympiády

Posloupnosti a řady. a n+1 = a n + 4, a 1 = 5 a n+1 = a n + 5, a 1 = 5. a n+1 = a n+1 = n + 1 n a n, a 1 = 1 2

Riemannův určitý integrál

Úlohy domácí části I. kola kategorie C

Matematická analýza III.

Požadavky k opravným zkouškám z matematiky školní rok

Limita a spojitost funkce. 3.1 Úvod. Definice: [MA1-18:P3.1]

Otázky z kapitoly Posloupnosti

Úlohy krajského kola kategorie C

Matematická analýza pro informatiky I. Limita posloupnosti (I)

Derivace funkcí více proměnných

Požadavky k opravným zkouškám z matematiky školní rok

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

64. ročník matematické olympiády Řešení úloh krajského kola kategorie A

METODICKÉ LISTY Z MATEMATIKY pro gymnázia a základní vzdělávání

Matematická analýza pro informatiky I.

6 Skalární součin. u v = (u 1 v 1 ) 2 +(u 2 v 2 ) 2 +(u 3 v 3 ) 2

+ 2y. a y = 1 x 2. du x = nxn 1 f(u) 2x n 3 yf (u)

O dělitelnosti čísel celých

Tento výukový materiál byl vytvořen v rámci projektu MatemaTech Matematickou cestou k technice.

Semestrální z předmětu MM

9.3. Úplná lineární rovnice s konstantními koeficienty

INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ. Modernizace studijního programu Matematika na PřF Univerzity Palackého v Olomouci CZ.1.07/2.2.00/28.

Úlohy klauzurní části školního kola kategorie A

MATURITNÍ TÉMATA Z MATEMATIKY

Kombinatorika, pravděpodobnost a statistika, Posloupnosti a řady

Obsah. Metodický list Metodický list Metodický list Metodický list

Univerzita Karlova v Praze Pedagogická fakulta

VYBRANÉ PARTIE Z NUMERICKÉ MATEMATIKY

názvy. Všechny uvedené důkazy jsou původní, často však pro svoji jednoduchost jsou jinde uvedeny ve velmi podobném znění.

Posloupnosti a řady. 28. listopadu 2015

63. ročník matematické olympiády Řešení úloh krajského kola kategorie B. 1. Odečtením druhé rovnice od první a třetí od druhé dostaneme dvě rovnice

V exponenciální rovnici se proměnná vyskytuje v exponentu. Obecně bychom mohli exponenciální rovnici zapsat takto:

Faculty of Nuclear Sciences and Physical Engineering Czech Technical University in Prague

Příklad 1. Řešení 1a Máme vyšetřit lichost či sudost funkce ŘEŠENÉ PŘÍKLADY Z M1A ČÁST 3

U3V Matematika Semestr 1

7B. Výpočet limit L Hospitalovo pravidlo

Soustavy rovnic diskuse řešitelnosti

----- Studijní obory. z matematiky. z matematiky. * Aplikovaná matematika * Matematické metody v ekonomice

Limita funkce. FIT ČVUT v Praze. (FIT) Limita funkce 3.týden 1 / 39

Kapitola 2: Spojitost a limita funkce 1/20

příkladů do cvičení. V textu se objeví i pár detailů, které jsem nestihl (na které jsem zapomněl) a(b u) = (ab) u, u + ( u) = 0 = ( u) + u.

dx se nazývá diferenciál funkce f ( x )

CVIČNÝ TEST 15. OBSAH I. Cvičný test 2. Mgr. Tomáš Kotler. II. Autorské řešení 6 III. Klíč 15 IV. Záznamový list 17

INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ. Modernizace studijního programu Matematika na PřF Univerzity Palackého v Olomouci CZ.1.07/2.2.00/28.

POSLOUPNOSTI. 1. Najděte prvních pět členů posloupnosti (a n ) n=1, je-li a) a n = 1 2 (1 + ( 1)n ), b) a n = n + ( 1) n, c) a n = ( 1) n cos πn2

Citlivost kořenů polynomů

Úlohy II. kola kategorie A

Přijímací zkouška na MFF UK v Praze

rovnic), Definice y + p(x)y = q(x), Je-li q(x) = 0 na M, nazývá se y + p(x)y =

SPECIÁLNÍCH PRIMITIVNÍCH FUNKCÍ INTEGRACE RACIONÁLNÍCH FUNKCÍ

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

CVIČNÝ TEST 5. OBSAH I. Cvičný test 2. Mgr. Václav Zemek. II. Autorské řešení 6 III. Klíč 17 IV. Záznamový list 19

CVIČNÝ TEST 37. OBSAH I. Cvičný test 2. Mgr. Tomáš Kotler. II. Autorské řešení 5 III. Klíč 13 IV. Záznamový list 15

8.3). S ohledem na jednoduchost a názornost je výhodné seznámit se s touto Základní pojmy a vztahy. Definice

Hlavolamy a teorie grafů

Transkript:

L i t e r a t u r a [1] Calábek, P. Švrček, J.: Úvod do řešení funkcionálních rovnic. MFI, roč. 10 (2000/01), č. 3. [2] Engel, A.: Problem-Solving Strategies. Springer-Verlag, New York, Inc., 1998. [3] Kuczma, M.: An introduction to the theory of functional equations and inequalities (Cauchy equation and Jensen inequality). PWN, Uniwersytet Ślcaski, Warszawa Krakow Katowice, 1985. [4] Švrček, J. Calábek, P.: Sbírka netradičních matematických úloh. Prometheus, Praha, 2007. [5] Tabov, J. Kolev, E. Taylor, P.: Methods of Problem Solving. Australian Mathematics Trust, 2012. [6] http://www.math.muni.cz/mo Číselné posloupnosti a věšení záclon KAREL PAZOUREK Gymnázium Třeboň V tomto článku popíšeme zajímavou úlohu (inspirovanou reálnou situací), kterou vyřešíme využitím některých známých faktů týkajících se číselných posloupností a dále znalosti součtu několika prvních členů geometrické posloupnosti. Zadání úlohy je následující: Chceme pověsit záclonu tak, aby háčky, na nichž záclona visí, byly rozmístěny v pravidelných rozestupech. Kolik háčků můžeme použít? 1. Jak věšíme záclony Přirozený způsob věšení záclon je následující: V prvním kroku pověsíme záclonu v obou krajních cípech (obr. 1, vlevo), potřebujeme k tomu 2 háčky. Ve druhém kroku přidáme jeden háček uprostřed (obr. 1, uprostřed), použili jsme tak celkově 3 háčky. Matematika fyzika informatika 22 2013 329

V dalších krocích vždy každý oblouk záclony přidáním jednoho háčku rozpůlíme, dostaneme tak z každého oblouku vždy dva shodné menší oblouky. Kolik háčků je potřeba? Obr. 1 Označme h n počet háčků použitých v n-tém kroku. Každý oblouk záclony má vždy jeden háček vlevo, navíc jeden háček musíme započítat za pravý krajní cíp záclony. Počet levých háčků uvažovaných oblouků se v každém kroku zdvojnásobí. Jestliže v n-tém kroku bylo použitých levých háčků h n 1, v (n+1)-ním kroku jich bude 2(h n 1) = 2h n 2. Pro počet háčků h n+1 použitých v (n+1)-ním kroku tak dostáváme rekurentní vztah h n+1 = (2h n 2) + 1 = 2h n 1. (1) Posloupnost (h n ) n=1 je tedy definována rekurentně vztahy h 1 = 2, h n+1 = 2h n 1 pro každé n přirozené. Prvních devět členů této posloupnosti je uvedeno v následující tabulce: k 1 2 3 4 5 6 7 8 9 h k 2 3 5 9 17 33 65 129 257 2. Odvození vzorce pro n-tý člen pomocí rekurentního vztahu Vypišme si vztahy pro členy h n, h, h n 2,..., h 3, h 2 a h 1 uvažované posloupnosti h n = 2h 1, h = 2h n 2 1, 330 Matematika fyzika informatika 22 2013

tedy h n 2 = 2h n 3 1,. h 3 = 2h 2 1, h 2 = 2h 1 1, h 1 = 2. Sečtením výše uvedených rovností dostaneme h n + h + h n 2 +... + h 3 + h 2 + h 1 = = 2 (h + h n 2 + h n 3 +... + h 2 + h 1 ) + 2 (n 1), a po snadné úpravě pak h n + h k = 2 h k n + 3, h n = h k n + 3. (2) Ke stanovení hodnoty h n lze však použít také následující postup: Druhou rovnost uvažovaného systému výše uvedených rovností vynásobíme číslem 2, třetí 2 2, čtvrtou 2 3, atd., až předposlední rovnost vynásobíme 2 n 2 a poslední z nich číslem 2. Dostaneme tak h n = 2h 1, 2 h = 2 2 h n 2 2, 2 2 h n 2 = 2 3 h n 3 2 2,. 2 n 3 h 3 = 2 n 2 h 2 2 n 3, 2 n 2 h 2 = 2 h 1 2 n 2, 2 h 1 = 2 n. Sečtením všech těchto rovností dostaneme po snadné úpravě h n = 2 n (1 + 2 + 2 2 +... + 2 n 3 + 2 n 2 ). (3) Matematika fyzika informatika 22 2013 331

Výraz v závorce na pravé straně ve vztahu (3) představuje součet n 1 členů geometrické posloupnosti s kvocientem 2 a prvním členem 1. Užitím známého vzorce pro součet prvních n 1 členů geometrické posloupnosti tak obdržíme h n = 2 n 2 1 2 1 = 2 n 2 + 1 = 2 + 1. Explicitní vyjádření (předpis) pro n-tý člen zkoumané číselné posloupnosti (h n ) n=1 je tedy h n = 2 + 1. 3. Přímý výpočet vzorce pro n-tý člen V této části odvodíme formuli pro počet háčků v n-tém kroku přímým výpočtem, tj. bez použití rekurentního vztahu. Zaměřme se na počet oblouků, které tvoří záclona mezi dvěma sousednémi háčky v jednotlivých krocích. V prvním kroku je oblouk jediný, v dalších krocích se jejich počet vždy zvojnásobuje. Jedná se tedy o posloupnost 1, 2, 4, 8, 16,..., která je tvořena mocninami dvojky. Její n-tý člen je tedy 2. Přitom v každém kroku je počet háčků o 1 větší než počet oblouků. Tudíž počet háčků v n-tém kroku je h n = 2 + 1. Tento postup je výrazně kratší a současně technicky méně náročný. Zjednodušení spočívá v přechodu k výpočtu (vyjádření) kvalitativně jiné hodnoty, jež je s hledaným počtem h n spjata jednoduchým vztahem. Dokázali jsme tak dvěma odlišnými způsoby následující tvrzení. Věta Pro libovolné přirozené číslo n platí: Počet h n použitých háčků při věšení záclony popsaným (běžným) způsobem v n-tém kroku je dán vztahem h n = 2 + 1, (4) 4. Užití principu matematické indukce Tvrzení předešlé věty lze dokázat také užitím principu matematické indukce vzhledem k n. (i) Pro n = 1 dané tvrzení platí, neboť evidentně h 1 = 2 = 2 1 1 + 1. 332 Matematika fyzika informatika 22 2013

(ii) Předpokládejme, že dané tvrzení platí pro určité n = k přirozené, kde k 1. Ukážeme, že platí i pro n = k + 1. Předpokládejme, že hledaný počet háčků v k-tém kroku je h k = 2 k 1 + 1. Vzhledem k tomu, že se v každém kroku počet háčků zdvojnásobí a současně se tato hodnota zmenší o 1 (jedná se v podstatě o využití rekurentního vztahu (1)), platí pro počet háčků v (k + 1)-tém kroku h k+1 = 2h k 1 = 2 (2 k 1 + 1) 1 = 2 k + 1. Tím jsme ověřili, že uvedený vztah platí i pro n = k + 1. Současným využitím kroků (i) a (ii) jsme tak dokázali (užitím principu matematické indukce) platnost vztahu (4). 5. Výpočet součtu n h k Ze vztahu (2) bezprostředně plyne h k = h n + n 3 = (2 + 1) + n 3 = 2 + n 2. Ke stejnému výsledku dospějeme i bez použití vztahu (2). Postačí nám k tomu znalost odvozeného vzorce pro n-tý člen posloupnosti (h n ) n=1 a dále znalost součtu několika prvních členů geometrické posloupnosti. Platí tak h k = h 1 + h 2 + h 3 +... + h = = (2 0 + 1) + (2 1 + 1) + (2 2 + 1) +... + (2 n 2 + 1) = = (2 0 + 2 1 + 2 2 +... + 2 n 2 ) + n 1 = = 2 1 2 1 + n 1 = 2 + n 2. Chceme-li stanovit součet prvních n členů posloupnosti (h n ) n=1, přejdeme v odvozené rovnosti od k n. Dostaneme tak přímo formuli pro součet prvních n členů uvažované posloupnosti, kde n h k = 2 n + n 1. Matematika fyzika informatika 22 2013 333

Na závěr uvádíme pro zájemce následující úlohu, která je zobecněním úlohy vyřešené v tomto příspěvku. Vyjděme ze situace, kdy záclona je už v prvním kroku zavěšena na několika háčcích, z nichž každé dva sousední jsou od sebe stejně vzdáleny. Příklad Najděte rekurentní zadání a vzorec pro n-tý člen posloupnosti (h n) n=1 počtu háčků, jestliže a) h 1 = 4 (viz obr. 2), Obr. 2 b) h 1 = p, kde p je libovolné přirozené číslo. Ověřte dále, že pokud za p zvolíme tzv. Fermatovo číslo, tj. přirozené číslo tvaru 2 2n + 1, viz např.[1], obdržíme podposloupnost zkoumané posloupnosti (h n ) n=1. L i t e r a t u r a [1] Křížek, M. Somer, L. Šolcová, A.: Kouzlo čísel (2. upravené vydání). Academia, Praha, 2011. 334 Matematika fyzika informatika 22 2013