等差数列と等比数列
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1導入
数列の変化を加法的な一定量で記述するか、乗法的な一定倍率で記述するかを判別することが本講義の主題である。定義を隣接項の漸化式として与え、一般項と有限和を証明する。
2定義
実数列 (a_n)_{n\geq1} を考察する。ある定数 d\in\mathbb R が存在し、すべての n\geq1 について
a_{n+1}=a_n+d
が成立するとき、(a_n) を等差数列、d を公差という。d=0 の定数列も含む。
ある定数 r\in\mathbb R が存在し、すべての n\geq1 について
a_{n+1}=ra_n
が成立するとき、(a_n) を等比数列、r を公比という。この定義は a_1=0 の零列も含む。零列では任意の r が漸化式を満たすため、公比は一意とは限らない。
3一般項
3.1等差数列
すべての n\geq1 について
\boxed{a_n=a_1+(n-1)d}
である。n=1 では右辺が a_1 である。n\geq2 では、k=1,\ldots,n-1 に対する a_{k+1}-a_k=d を総和すると、
a_n-a_1=\sum_{k=1}^{n-1}(a_{k+1}-a_k)=(n-1)d
となる。中央の総和は中間項が相殺する望遠和であるため、結論を得る。
3.2等比数列
すべての n\geq1 について
\boxed{a_n=a_1r^{n-1}}
である。n=1 では r^0=1 により成立する。a_n=a_1r^{n-1} と仮定すると、a_{n+1}=ra_n=a_1r^n であるため、数学的帰納法により成立する。この証明は a_1=0 または r=0 でも除算を使用せずに成立する。
4有限和
1\leq m\leq N とし、
S_{m,N}:=\sum_{n=m}^{N}a_n
と定義する。項数は N-m+1 である。
4.1等差数列の有限和
\boxed{S_{m,N}=\frac{N-m+1}{2}(a_m+a_N)}
である。実際、順序を反転した同一の和を加算すると、
2S_{m,N}=\sum_{j=0}^{N-m}(a_{m+j}+a_{N-j}).
等差性により各括弧は a_m+a_N であり、括弧は N-m+1 個あるため公式を得る。m=N でも右辺は a_m となり、端点を含む。
特に m=1 では
\boxed{\sum_{n=1}^{N}a_n=\frac N2\{2a_1+(N-1)d\}=\frac N2(a_1+a_N)}.
4.2等比数列の有限和
r\ne1 の場合、
\boxed{S_{m,N}=a_m\frac{1-r^{N-m+1}}{1-r}}
である。S_{m,N}=a_m+a_mr+\cdots+a_mr^{N-m} と rS_{m,N} の差を取ると、
(1-r)S_{m,N}=a_m-a_mr^{N-m+1}
であり、1-r\ne0 で除して結論を得る。m=N でも右辺は a_m である。r=1 の場合はこの除算が許容されず、全項が a_m であるため、別に
\boxed{S_{m,N}=(N-m+1)a_m}
となる。両公式は a_m=0 を含む。
5差と比による判定
- すべての n\geq1 について a_{n+1}-a_n=d が同一の定数なら、定義により等差数列である。
- すべての n\geq1 について a_n\ne0 であり、a_{n+1}/a_n=r が同一の定数なら、a_{n+1}=ra_n であるため等比数列である。
- 比による判定は分母 a_n が零の箇所では適用できない。零項を含む可能性がある場合は、除算せずに単一の定数 r について a_{n+1}=ra_n を直接検査する。
- 有限個の提示項で差または比が一致しても、未提示の全項について同一の規則が保証されない限り、無限数列の判定にはならない。
例えば 2,5,8,11,\ldots は公差 3 で a_n=3n-1 である。5,10,20,40,\ldots は非零項の比が 2 で a_n=5\cdot2^{n-1} である。一方、0,0,0,\ldots は等比数列であるが、0/0 は定義されないため比による判定は使用できない。
6構造的解釈
等差数列の一般項 a_1+(n-1)d は添字 n の一次式であり、アフィン関数の離散的対応物である。r>0 の等比数列は、指数型関数 x\mapsto a_1r^{x-1} の整数点における値と対応する。r<0 かつ a_1\ne0 では符号が交替し、r=0 では初項の後が零となるため、この対応とは区別する。また、一次漸化式 a_{n+1}=pa_n+q は、p=1 なら等差数列となり、p\ne1 なら平衡点からの偏差が等比数列となる。
7適用範囲
本講義の有限和は有限個の項に対する恒等式であり、収束条件を要しない。無限等比級数の和には別途 |r|<1 等の条件が必要である。また、公差または公比が添字に依存する数列には、ここでの公式を直接適用できない。
8基本公式
\boxed{a_{n+1}=a_n+d\Longrightarrow a_n=a_1+(n-1)d}
\boxed{a_{n+1}=ra_n\Longrightarrow a_n=a_1r^{n-1}}
\boxed{\sum_{n=m}^{N}a_n=\frac{N-m+1}{2}(a_m+a_N)\quad\text{(等差)}}
\boxed{\sum_{n=m}^{N}a_n=\begin{cases}a_m\dfrac{1-r^{N-m+1}}{1-r},&r\ne1,\\(N-m+1)a_m,&r=1\end{cases}\quad\text{(等比)}}\boxed{\sum_{n=m}^{N}a_n=\begin{cases}a_m\dfrac{1-r^{N-m+1}}{1-r},&r\ne1,\\(N-m+1)a_m,&r=1\end{cases}\quad\text{(等比)}}
9要約
- 等差数列は一定量の加算、等比数列は一定倍率の乗算によって定義される。
- 一般項と有限和では初項・終項・項数を明示し、等比和では r=1 を分離する。
- 比による判定には分母の非零性が必要であり、零項を含む場合は漸化式を直接検査する。
10関連講義
data/lecture/math/sequence/sequences-portal.lecture.n.md
data/lecture/math/sequence/sequences-and-recurrences.lecture.n.md
data/lecture/math/sequence/first-order-recurrences.lecture.n.md
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Arithmetic and Geometric Sequences
1Introduction
The central task of this lecture is to distinguish additive change by a constant amount from multiplicative change by a constant factor. We define both classes by recurrences between adjacent terms and prove their general-term and finite-sum formulas.
2Definitions
Consider a real sequence (a_n)_{n\geq1}. It is an {arithmetic sequence} if there is a constant d\in\mathbb R such that
a_{n+1}=a_n+d
for every n\geq1. The number d is its {common difference}. This definition includes constant sequences, for which d=0.
It is a {geometric sequence} if there is a constant r\in\mathbb R such that
a_{n+1}=ra_n
for every n\geq1. The number r is a {common ratio}. This definition includes the zero sequence arising from a_1=0. For the zero sequence, every r satisfies the recurrence, so the common ratio need not be unique.
3General Terms
3.1Arithmetic Sequences
For every n\geq1,
\boxed{a_n=a_1+(n-1)d}.
At n=1, the right-hand side is a_1. For n\geq2, sum a_{k+1}-a_k=d over k=1,\ldots,n-1:
a_n-a_1=\sum_{k=1}^{n-1}(a_{k+1}-a_k)=(n-1)d.
The sum in the middle telescopes because its intermediate terms cancel, proving the formula.
3.2Geometric Sequences
For every n\geq1,
\boxed{a_n=a_1r^{n-1}}.
At n=1, this follows from r^0=1. If a_n=a_1r^{n-1}, then a_{n+1}=ra_n=a_1r^n; mathematical induction proves the formula. This proof uses no division and remains valid when a_1=0 or r=0.
4Finite Sums
For 1\leq m\leq N, define
S_{m,N}:=\sum_{n=m}^{N}a_n.
There are N-m+1 terms.
4.1Finite Arithmetic Sums
\boxed{S_{m,N}=\frac{N-m+1}{2}(a_m+a_N)}.
Add the same sum written in reverse order:
2S_{m,N}=\sum_{j=0}^{N-m}(a_{m+j}+a_{N-j}).
The arithmetic property makes every parenthesis equal to a_m+a_N, and there are N-m+1 parentheses. This proves the formula, including the endpoint case m=N, where it gives a_m.
In particular, for m=1,
\boxed{\sum_{n=1}^{N}a_n=\frac N2\{2a_1+(N-1)d\}=\frac N2(a_1+a_N)}.
4.2Finite Geometric Sums
If r\ne1, then
\boxed{S_{m,N}=a_m\frac{1-r^{N-m+1}}{1-r}}.
Write S_{m,N}=a_m+a_mr+\cdots+a_mr^{N-m} and subtract rS_{m,N} to obtain
(1-r)S_{m,N}=a_m-a_mr^{N-m+1}.
Division by 1-r\ne0 proves the formula, including m=N. If r=1, that division is invalid and every term equals a_m, so instead
\boxed{S_{m,N}=(N-m+1)a_m}.
Both formulas include a_m=0.
5Tests by Differences and Ratios
- If a_{n+1}-a_n=d is the same constant for every n\geq1, the sequence is arithmetic by definition.
- If a_n\ne0 for every n\geq1 and a_{n+1}/a_n=r is the same constant, then a_{n+1}=ra_n, so the sequence is geometric.
- A ratio test cannot be applied where its denominator a_n is zero. When zero terms may occur, test a_{n+1}=ra_n directly for a single constant r, without division.
- Agreement among finitely many displayed differences or ratios does not classify an infinite sequence unless the same rule is guaranteed for every unshown term.
For example, 2,5,8,11,\ldots has common difference 3 and a_n=3n-1. The nonzero sequence 5,10,20,40,\ldots has ratio 2 and a_n=5\cdot2^{n-1}. By contrast, 0,0,0,\ldots is geometric, but the ratio test is unavailable because 0/0 is undefined.
6Structural Interpretation
The arithmetic general term a_1+(n-1)d is affine in the index and is a discrete counterpart of an affine function. When r>0, a geometric sequence consists of the values of the exponential-form function x\mapsto a_1r^{x-1} at integer points. When r<0 and a_1\ne0, its signs alternate, while r=0 makes every term after the first zero, so these cases must be distinguished from that correspondence. Moreover, a first-order recurrence a_{n+1}=pa_n+q is arithmetic when p=1; when p\ne1, its deviation from an equilibrium point is geometric.
7Scope
The finite-sum identities in this lecture concern finitely many terms and require no convergence assumption. Summing an infinite geometric series requires additional conditions such as |r|<1. The formulas here do not apply directly when the difference or multiplier depends on the index.
8Basic Formulas
\boxed{a_{n+1}=a_n+d\Longrightarrow a_n=a_1+(n-1)d}
\boxed{a_{n+1}=ra_n\Longrightarrow a_n=a_1r^{n-1}}
\boxed{\sum_{n=m}^{N}a_n=\frac{N-m+1}{2}(a_m+a_N)\quad\text{(arithmetic)}}
\boxed{\sum_{n=m}^{N}a_n=\begin{cases}a_m\dfrac{1-r^{N-m+1}}{1-r},&r\ne1,\\(N-m+1)a_m,&r=1\end{cases}\quad\text{(geometric)}}\boxed{\sum_{n=m}^{N}a_n=\begin{cases}a_m\dfrac{1-r^{N-m+1}}{1-r},&r\ne1,\\(N-m+1)a_m,&r=1\end{cases}\quad\text{(geometric)}}
9Summary
- Arithmetic sequences are defined by adding a constant amount; geometric sequences are defined by multiplying by a constant factor.
- General-term and finite-sum formulas must track the first term, last term, and number of terms; a geometric sum must treat r=1 separately.
- A ratio test requires nonzero denominators. When zero terms occur, test the recurrence directly.
10Related Lectures
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