转载:等比数列的求和公式,及其推导过程

本文详细介绍了等比数列的定义、求和公式及其推导过程,并针对公比是否为1的情况进行了分类讨论。

本文转自:等比数列的求和公式,及其推导过程

一、等比数列的定义

如果一个数列从第二项起,每一项与它的前一项的比都等于同一个常数,那么这个数列叫做等比数列(geometric progression)。这个常数叫做等比数列的公比(common ratio)。

对于等比数列求和,有如下公式:

记数列{an}为等比数列,公比为q,其前n项和为Sn,则有:

  1. 公比q=1时,Sn=na1
  2. 公比q≠1时,Sn=a1(1-qn)/(1-q)=(a1-anq)/(1-q)。

二、等比数列求和公式推导

当等比数列的公比等于1和公比不等于1的前n项和公式不同,所以,求一个等比数列的前n项时常常需要分“公比为1”和“公比不为1”两种情况分类讨论。

  1. 当“公比为1”时,前n项和公式的推导过程如下:
    在这里插入图片描述

  2. 当“公比不为1”时,前n项和公式的推导过程如下:
    在这里插入图片描述

三、注意事项

因为等比数列求和公式中,公比等于1和公比不等于1的前n项和所适用的求和公式不同,所以求等比数列的前n项和时,往往需要对其公比是否等于1进行分类讨论。

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<think> 我们参考了多个关于MATLAB中等比数列求和的引用资料。根据用户需求,我们将介绍在MATLAB中实现等比数列求和的几种方法。 方法1:使用循环(适用于有限项) 对于有限项等比数列求和,可以使用for循环累加。设首项为a,公比为q,项数为n,则前n项和S_n = a + a*q + a*q^2 + ... + a*q^(n-1)。 示例代码: ```matlab a = 1; % 首项 q = 0.5; % 公比 n = 10; % 项数 S = 0; % 初始化求和结果 for i = 0:n-1 S = S + a * q^i; end disp(['前', num2str(n), '项和为: ', num2str(S)]); ``` 方法2:使用向量化操作(更高效) 利用MATLAB的向量化运算,可以避免循环,提高计算效率。可以先生成等比数列向量,再用sum函数求和。 示例代码: ```matlab a = 1; q = 0.5; n = 10; % 生成等比数列向量 vec = a * q.^(0:n-1); % 从0次幂到n-1次幂 S = sum(vec); disp(['前', num2str(n), '项和为: ', num2str(S)]); ``` 方法3:使用符号计算(精确计算) 对于需要精确计算的情况(如有理数),可以使用符号工具箱中的symsum函数(引用[2]中提到)。该函数可以求符号表达式的和。 示例代码: ```matlab syms k; % 定义符号变量 a = 1; q = 1/2; % 公比(使用分数形式) n = 10; % 求前n项和 S = symsum(a * q^k, k, 0, n-1); % 注意:求和指标从0到n-1 disp(['前', num2str(n), '项和为: ', char(S)]); ``` 方法4:利用等比数列求和公式直接计算 等比数列求和公式为:当q≠1时,S_n = a*(1-q^n)/(1-q)。可以直接用此公式计算。 示例代码: ```matlab a = 1; q = 0.5; n = 10; if q == 1 S = n * a; else S = a * (1 - q^n) / (1 - q); end disp(['前', num2str(n), '项和为: ', num2str(S)]); ``` 方法5:使用logspace函数生成等比数列(引用[1]) 注意:logspace生成的是10的幂次组成的等比数列,公比是10的幂次。若要生成公比为r的等比数列,可以这样使用: 先使用logspace生成指数部分,然后取以r为底的指数(注意对数关系)。 但引用[1]中例子给出了一种特殊用法:生成公比为2的等比数列(从1到32,共6项): S = logspace(0, log10(2^5), 6) % 从10^0到10^(log10(32)),即1到32,共6项,公比为2 然后同样可以用sum求和。 示例代码(生成公比为r的等比数列): ```matlab r = 2; % 公比 n = 6; % 项数 start_exponent = 0; end_exponent = log10(r^(n-1)); % 最后一项是r^(n-1),取以10为底的对数 % 生成等比数列(公比为r) vec = logspace(start_exponent, end_exponent, n); % 注意:logspace生成的是10^(start_exponent)到10^(end_exponent)的等比数列(公比为10的某次方) % 但这里我们调整了指数,使得公比变为r:因为10^(exponent) = r^k,而exponent=k*log10(r) % 所以实际上vec(i) = r^(i-1) S = sum(vec); disp(['前', num2str(n), '项和为: ', num2str(S)]); % 验证:第一项是10^0=1,第二项是10^(log10(2)) = 2,第三项是10^(log10(4))=4,...,第六项是10^(log10(32))=32 ``` 总结: 以上方法各有适用场景: - 循环方法简单直接,但效率较低; - 向量化方法高效,适合数值计算; - 符号计算适用于需要精确结果的情况; - 直接使用公式计算最快捷,但需注意q=1的情况; - 使用logspace生成等比数列,适用于公比是正实数且需要以10为底的指数形式表示的情况,但不够直观。 根据实际需求选择合适的方法。 相关问题: 1. 在MATLAB中如何生成等比数列? 2. 等比数列求和公式在公比等于1时如何处理? 3. 如何用MATLAB判断一个数列是否为等比数列? 4. 在MATLAB中如何处理无穷级数求和(即无穷项等比数列求和)? </think> 在 MATLAB 中计算等比数列求和有多种方法,以下是三种常用且高效的实现方式,结合了引用资料中的最佳实践: ### 方法一:向量化计算(推荐) ```matlab % 定义参数 a1 = 2; % 首项 q = 0.5; % 公比 n = 10; % 项数 % 生成等比数列 sequence = a1 * q.^(0:n-1); % 创建数列 [a1, a1*q, a1*q^2, ..., a1*q^(n-1)] % 计算总和 S = sum(sequence); disp(['前', num2str(n), '项和: ', num2str(S)]); ``` ### 方法二:符号计算(精确结果) ```matlab syms k; % 声明符号变量 a1 = 1/2; % 首项 q = 1/3; % 公比 n = 5; % 项数 % 使用符号求和函数 S_sym = symsum(a1 * q^k, k, 0, n-1); disp(['精确和: ', char(S_sym)]); % 输出: 精确和: 605/486 ``` ### 方法三:直接公式计算 ```matlab a1 = 3; % 首项 q = 2; % 公比 n = 8; % 项数 if q == 1 S = n * a1; % 公比为1的特殊情况 else S = a1 * (1 - q^n) / (1 - q); % 等比数列求和公式 end disp(['公式法结果: ', num2str(S)]); % 输出: 公式法结果: 765 ``` ### 关键说明 1. **向量化计算**(方法一) - 使用 `.^` 运算符创建等比数列 - `sum()` 函数直接求和 - 效率最高,适合数值计算[^3][^4] 2. **符号计算**(方法二) - `symsum` 函数支持精确计算 - 适用于分数运算和级数收敛性判断[^2] - 可处理无穷级数:`symsum(a1*q^k, k, 0, inf)` 3. **logspace 应用**(特殊场景) ```matlab % 创建公比为2的等比数列 sequence = logspace(0, log10(2^(n-1)), n); S = sum(sequence); ``` 适用于公比与10相关的特殊数列[^1] ### 应用示例 计算首项为 5,公比为 0.6 的前 15 项和: ```matlab S = 5 * (1 - 0.6^15) / (1 - 0.6) % 输出: 12.4993 ``` > 对于无穷级数求和,当 $|q|<1$ 时,级数收敛: > $$S = \frac{a_1}{1-q}$$ > 例如 $a_1=1, q=1/2$ 时,`S = 1/(1-0.5)` 结果为 2[^2] ### 相关问题 1. 如何生成特定公比的等比数列? 2. 符号计算和数值计算哪种更适合高精度需求? 3. 当公比 $|q|<1$ 时,如何计算无穷级数的和? 4. 如何使用 MATLAB 验证等比数列的收敛性?
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