Sorozatok

Tévés vetélkedőkben, internetes kvízjátékokban gyakran kell kitalálni, hogy milyen szám következik a sorban. Próbáld ki te is! Melyik szám következik a kettő, három, öt, hét után? Kilenc, tíz, tizenegy vagy tizenkettő? A megoldás a tizenegy, mert a prímszámokat látjuk növekvő sorrendben. Mivel folytatnád az egy, négy, kilenc, tizenhat sort? Tizenkilenc, huszonöt, huszonhét vagy harminc? A helyes válasz a huszonöt, mert ezek a négyzetszámok.
A matematikában azok a számok, amelyek valamilyen szabály szerint követik egymást, számsorozatot alkotnak. Például a páratlan számok sorozatának első tagja az egy, második tagja a három, a harmadik tagja az öt, az n-edik, általános tagja két n mínusz egy. Ha táblázatba foglaljuk a sorszámokat és a sorozat tagjait, látszik, hogy itt egy olyan függvényt adtunk meg, amelynek az értelmezési tartománya a pozitív egész számok halmaza, értékkészlete pedig a páratlan számok halmaza. Más számsorozatok értékkészlete más számokból áll. A sorozatot megadhatjuk az általános tagjával. Ez a sorozat explicit alakja. Ha így adunk meg egy sorozatot, bármelyik tagját ki tudjuk számolni. A négyzetszámok sorozatának explicit alakja ${a_n}$ (áenn) egyenlő n négyzet. Számítsuk ki a következő sorozat első, második, hatodik és huszonegyedik tagját! A képletben n helyére behelyettesítjük a megfelelő sorszámot, azaz az első tag esetén n egyenlő egyet, a második tagnál n egyenlő kettőt, és így tovább.
A sorozatok megadásának másik módja Fibonacci (fibonáccsi) olasz matematikushoz köthető, aki a következő feladatot fogalmazta meg: Hány pár nyúlra nő a szaporulat egy nyúlpárról egy év alatt, ha tudjuk, hogy a nyulak két hónap alatt válnak ivaréretté, ezután minden pár minden hónapban egy új párnak ad életet, és mindegyikük életben marad? Az első hónapban egy nyúlpárunk van, és ugyanannyi lesz a másodikban is; a párok száma csak a harmadik hónapban változik egyről kettőre. A következő hónapban a szülők újabb párnak adnak életet, így a párok száma háromra nő. Az ötödik hónapban azonban már az új pár is szaporulatképes, így a párok száma kettővel nő, és összesen ötre gyarapodik. A sorozatunk első tagjai: egy, egy, kettő, három, öt. Láthatjuk, hogy bármely tagot, a harmadiktól kezdve, az előző két tag összegeként határozhatunk meg. Ez a sorozat megadásának rekurzív módja. Megadjuk a sorozat első néhány tagját és azt a szabályt, amellyel az n-edik tag értéke az előző tagokból kiszámolható. Az egyes hónapokhoz tartozó nyúlpárok számát leíró számsor Fibonacci-sorozat néven vonult be a matematika történetébe. A tizenkettedik tagja, a válasz Fibonacci kérdésére, száznegyvennégy.
Melyik számmal folytatnád a kettő, öt, nyolc, tizenegy sorozatot? És mi a következő tagja a nyolcvan, hatvan, negyven sorozatnak? És a hat, hat, hat után melyik szám jön? Ezeket a sorozatokat számtani sorozatoknak nevezzük. Közös jellemzőjük, hogy a szomszédos tagok különbsége állandó. Ez az állandó a számtani sorozat differenciája, jele d. A d nulla is lehet, ekkor a sorozat minden tagja ugyanannyi, ez a konstans sorozat.
Egy számtani sorozat első tagja tizenkettő, különbsége mínusz három. Számítsuk ki a harmincegyedik tagját! A második tag hárommal kisebb, mint az első, azaz kilenc, a harmadik tag hat, a negyedik három, és így tovább. Nem szeretnénk mind a harmincegy tagot felsorolni, keressünk képletet az általános tag kiszámítására! A definíció alapján a harmadik tag ${a_1}$ plusz két d, a negyedik ${a_1}$ plusz három d. Hasonlóan a többi tagot is kifejezhetjük az első taggal és a differenciával. Az n. tag képlete ${a_1}$ plusz n mínusz 1-szer d. A képlet felhasználásával az előző sorozat harmincegyedik tagja mínusz hetvennyolc.
Gauss, akit a matematika fejedelmének is neveznek, már kiskorában kitűnt a többiek közül tehetségével. Egy alkalommal a tanító azt a feladatot adta a gyerekeknek, hogy adják össze a számokat egytől százig. A hatéves kis Gauss rövid gondolkodás után megmondta a választ. A hitetlenkedő tanítónak elmagyarázta, hogy egyet vett elölről és egyet hátulról. Az 1 és a 100 összege 101, ugyanannyi, mint a 2 és a 99 összege, illetve a 3 és a 98 összege, és így tovább. Ötven ilyen számpárunk van, ötvenszer százegy az ötezer-ötven. A módszer, amellyel Gauss kiszámolta a számok összegét, minden számtani sorozatnál használható. Ha ismerjük a számtani sorozat első és n-edik tagját, akkor az első n tag összege ezzel a képlettel határozható meg.