計算有限項等比級數

從逐項相加看見固定公比的結構,辨認 a、r、n 並選對求和方式。

P01

加得出來,為何還要找方法?

把3、6、12、24、48這五筆數量合在一起,逐項相加得到93,這個方法完全正確。若每次都按同一倍數變化,項數增加時,有沒有辦法利用重複結構,減少漏加一項的機會?本節不是否定加法,而是把「每項都要重新處理」改成「找出相鄰項可以對齊的關係」。最後仍會用小規模逐項加總檢查,因為公式算得快,卻不能替我們讀對首項與項數。

P02

倍數不是多加多少

數列是按次序列出的數,級數則把這些項相加。3、6、12每次乘2,所以6÷3=2、12÷6=2;它不是每次加同一個數。相鄰公比的方向是「後項除以前項」,不能倒著除。2、4、7的後項除以前項分別是2和7/4,不一致;不能看前兩項就把整段當成等比。若倍數、分數除法或等比的意思還沒學過,可以直接說明,先補好這些先備知識,再繼續往下學。

P03

幾次相乘,與共有幾項

由首項a開始,第1項就是a,往第2項乘一次r,往第3項乘兩次r。所以當r≠0時,第n項寫ar^(n−1),n是項數而不是相乘次數;例如3、6、12、24、48共有5項,末項3×2^4=48。正整數次方表示反覆相乘:(−2)^3=−8,(−2)^4=16;負底數要把負號包進括號。(1/2)^3=1/8,分子分母都乘三次。r=0時直接由首項開始逐次乘0,不必把首項寫成含0^0的式子。

P04

整串相減與分數

等式兩邊乘同一個數仍相等;整串相減時,減號作用到每一項。例如(3+6+12)−(6+12+24)=3−24,不是只減第一個6。分數相減先同分母,1−1/8=8/8−1/8=7/8;除以非零分數等於乘倒數,(7/8)÷(1/2)=(7/8)×2=7/4。不能除以0。這些算則是接下來推導的工具;若某一步不熟,先就該一步說不會,補好後再回來。

P05

有限等比和:先定清楚邊界

本節只加有限的n項,n是正整數。首項記a,之後每項都是前項乘同一個實數r;若相鄰項的前項非零,可用後項÷前項核公比。記這n項總和為S。r≠1時,S=a(1−r^n)/(1−r);r=1時,每項都等於a,S=na,不能用分母為0的那一式。這裡的練習用整數或有理數,答案保留精確分數。省略號只省略中間按已知規則生成的有限項,必須另有明確的項數或末項,不能憑幾項猜未給的規律。

P06

乘公比,把同樣的項移到同一位置

仍取S=3+6+12+24+48。每項乘2得到2S=6+12+24+48+96;注意乘到末項後多出96,而不是仍停在48。兩串對齊相減:S−2S=(3+6+12+24+48)−(6+12+24+48+96)=3−96。中間四項各有一次加、一次減,所以消去;留下原首項與新串末端。這個「錯開一項再相減」是公式的來源,不是神秘的記憶口訣。

P07

相減沒有消掉總和,還要解回S

由S−2S=3−96,左邊是−S,右邊是−93,因此S=93。若反過來用2S−S,便是S=96−3=93;兩種方向都可以,但兩邊的方向要一致。一般式也可寫a(r^n−1)/(r−1),因分子分母同乘−1,與a(1−r^n)/(1−r)相同。不能只改分子或只改分母的符號。直接加3+6+12+24+48=93,為這個具體例子提供另一條核算路徑。

P08

把對齊的理由推到任意有限項數

先取n≥3、r≠0。寫S=a+ar+…+ar^(n−1),乘r得rS=ar+ar²+…+ar^n。中間對應項相減,得到(1−r)S=a−ar^n=a(1−r^n)。只在r≠1時除以1−r,便得S=a(1−r^n)/(1−r)。末項是ar^(n−1),相減多出的下一項才是ar^n;這正是公式指數為n的理由。n=2時直接寫S=a+ar、rS=ar+ar²,相減同樣得到a−ar²;不把省略號多算成一項。r=1不能在此除以0,要另算;n=1和r=0用P12/P13直接檢查,不靠未定義的0^0補漏洞。

P09

公比為1:不是例外忘記背,而是不能除0

例如5+5+5+5,a=5、r=1、n=4,四個5相加就是4×5=20。若硬代分式,會得到5(1−1^4)/(1−1)=0/0,它不是0,也不是20,這種除法沒有定義。由(1−r)S=a(1−r^n)只能得到0=0,沒有求出S。因此先看r是否為1,選na是把原來的相加做完,不是另猜一個答案。負首項或分數首項也相同,例如三個−2的和是−6。

P10

公比可以是分數,答案仍是精確的

看8+4+2+1+1/2,共5項,r=1/2。S=8[1−(1/2)^5]/(1−1/2)=8×(31/32)÷(1/2)=31/2。逐項相加8+4+2+1=15,再加1/2,也是31/2。指數5不是看到末項1/2就猜的,而是由五項決定。分母1/2要做除法,不是再乘1/2;寫成小數近似可能掩蓋分數算錯,本題用精確分數即可。

P11

負公比:首項非零時相鄰項換號,但同一機制仍成立

看2+(−4)+8+(−16),共4項。各次後項÷前項都是−2,末項2×(−2)^3=−16。總和S=2[1−(−2)^4]/[1−(−2)]=2×(−15)/3=−10;直接相加也為−10。負公比不是負首項:−2、−4、−8的公比是正2。算r^n時括號不可漏,且奇數次方負、偶數次方正;若答案錯先看是哪個算則,而不是只因出現負號就重新講整課。

P12

只有一項:總和就是首項

若只取首項9,n=1,S=9。沒有第二項可用來推公比;題目若另明示生成規則公比為4,便可核9(1−4^1)/(1−4)=9。若另給r=1,則na=1×9=9。這不是用末項反推出一個不存在的相鄰比。對單項而未給r的題,直接相加已足夠,應說「公比無法由單項唯一辨識」,不能把自己的猜測冒充題目已知。

P13

零公比與全零:不要做0除0

若題目明說首項4,之後每次乘0,取4項,便是4、0、0、0,總和4。一般而言,r=0且n為任意有限正整數時,首項是a,其餘已取項都是0,總和a;0^n=0使求和公式也給a,不需0^0。後段的0÷0不能用來驗比,但逐次乘0的規則已給;公式用正整數n=4得4(1−0^4)/(1−0)=4,沒有0^0。若首項0且明給每次乘3,有限各項全為0,總和0;若只看到一串0,公比不能由相鄰除法唯一決定。這些是核條件的邊界,不在未給規則時強迫猜r,也不把n=0或非整數項數塞進本節公式。

P14

省略號、省略首項與項數的陷阱

題面說「等比數列依次為1、3、9、…,取前4項」,就補出27,四項和40;不能看三個已印出的數就說n=3。如果寫2^0+2^1+2^2+2^3,共4項,首項是2^0=1,公比2,末項8;指數從0開始不表示沒有首項。只有2、4、…而沒有明定規則與停止位置,資訊不足,先請求澄清;不為了套公式自行補出題意。

P15

考場落地:先圈三個參數,再做兩路檢查

求有限等比和時,先圈出a、r、n,核對相鄰倍數或題目給的生成規則,再看末項。接著判斷r是否等於1,寫完整代入式,最後用逐項相加核對。只求出最後一項,還沒有求出總和;遇到卡住的步驟,可以標出來再提問。

P16

同一錯答案,可能是不同根因

若把五項當四項,重新從首項數到末項;若把r讀成倒數,檢查後項如何由前項得到;若r=1卻寫出分母1−r,改用S=na;若負公比的次方算錯,先核括號及奇偶。找到第一個不確定的步驟,比只改最後答案更有用。

P17

遇到難題:說出已知與卡點

遇到難題,可以說「我認為已知……;我做到……因為……;我卡在……」,也可以直接說「不會」「題意看不懂」「這段沒有教過」。把已知的a、r、n及卡住的計算寫下,便於一起找到下一步。

P18

從逐項算,到看見可重用的結構

有限等比和仍可逐項相加檢查;固定公比讓兩串對齊,相減後只留下兩端。請用自己的話說明a、r、n從何而來,以及為何r=1要另外計算。看過的例題只能用來練習說理;換一題新的有限等比和,仍能選對分支並核對總和,才更能檢查自己是否掌握。