KURS MATURALNY

Ciąg geometryczny – wzory i zadania krok po kroku

Tego się dowiesz!

Ciąg geometryczny to ciąg, w którym każdy kolejny wyraz powstaje przez pomnożenie poprzedniego przez tę samą liczbę. Opisuje wszystko, co rośnie lub maleje „przez mnożenie”: procent składany, podwajające się bakterie, zmniejszającą się o połowę ilość substancji. W tym wpisie wyjaśniam, czym jest ciąg geometryczny, skąd biorą się wzory na n-ty wyraz i sumę, i rozwiązuję krok po kroku typowe zadania maturalne. Jeśli znasz już ciąg arytmetyczny, zobaczysz, że wiele rzeczy działa tu podobnie, tylko z mnożeniem zamiast dodawania.

1Co to jest ciąg geometryczny

Ciąg jest geometryczny, gdy iloraz każdych dwóch kolejnych wyrazów jest taki sam. Ten stały iloraz oznaczamy literą q.

3· 26· 212· 224· 248…

Tutaj a₁ = 3 i q = 2. Iloraz może być ułamkiem, wtedy wyrazy maleją, albo liczbą ujemną, wtedy znaki wyrazów się zmieniają:

81· ⅓27· ⅓9· ⅓3· ⅓1…
1· (−2)−2· (−2)4· (−2)−8· (−2)16…
Definicja
an + 1an = q

Iloraz kolejnych wyrazów jest stały. Dlatego q liczymy jako iloraz dowolnych dwóch sąsiednich wyrazów, na przykład a₂ : a₁. Zakładamy, że wyrazy są różne od zera.

Na wykresie wyrazy rosnącego ciągu geometrycznego nie leżą na prostej, tylko na krzywej, która wznosi się coraz szybciej. Każdy krok w prawo podwaja wysokość, więc „schodki” są coraz wyższe. To jest wykres funkcji wykładniczej, określonej tylko dla liczb naturalnych.

0816243240481a1 = 3·22a2 = 6·23a3 = 12·24a4 = 24·25a5 = 48n

2Wzór na n-ty wyraz

Żeby dojść od a₁ do a₂, mnożymy przez q raz. Do a₃ mnożymy przez q dwa razy, czyli przez q². Do a₁₀ trzeba pomnożyć przez q dziewięć razy. Stąd potęga n − 1:

n-ty wyraz
an = a1 · qn − 1
PrzykładCiąg geometryczny ma a1 = 3 i q = 2. Oblicz a6.
a6 = 3 · 25wykładnik 6 − 1 = 5
= 3 · 32
= 96
Odpowiedźa6 = 96
Uwaga na częsty błąd3 · 2⁵ to nie 6⁵. Najpierw potęga, potem mnożenie, zgodnie z kolejnością działań. Mnożymy a₁ przez q⁵, a nie podnosimy iloczynu do potęgi.

Tak jak w ciągu arytmetycznym, wzór można zapisać od dowolnego znanego wyrazu: an = ak · qn − k. Na przykład a7 = a4 · q3.

3Suma n pierwszych wyrazów

Suma n pierwszych wyrazów
Sn = a1 · 1 − qn1 − q dla q ≠ 1

Gdy q = 1, wszystkie wyrazy są równe, więc Sₙ = n · a₁.

PrzykładOblicz sumę 6 pierwszych wyrazów ciągu 3, 6, 12, …
S6 = 3 · 1 − 261 − 2a₁ = 3, q = 2
= 3 · 1 − 64−1
= 3 · 63 = 189

Sprawdzenie: 3 + 6 + 12 + 24 + 48 + 96 = 189.

OdpowiedźS6 = 189

Według legendy wynalazca szachów poprosił o nagrodę w ziarnach: jedno na pierwsze pole, dwa na drugie, cztery na trzecie i tak dalej, za każdym razem dwa razy więcej. Na 64 polach to suma ciągu geometrycznego z a₁ = 1 i q = 2, czyli 2⁶⁴ − 1. To ponad 18 trylionów ziaren, znacznie więcej, niż kiedykolwiek wyprodukowano.

4Własność trzech kolejnych wyrazów

Kwadrat środkowego to iloczyn sąsiadów
an2 = an − 1 · an + 1

Trzy liczby a, b, c różne od zera tworzą w tej kolejności ciąg geometryczny wtedy i tylko wtedy, gdy b² = a · c. Na przykład 4, 6, 9: 6² = 36 = 4 · 9.

W ciągu arytmetycznym środkowy wyraz był średnią sąsiadów (2b = a + c). Tutaj zamiast dodawania jest mnożenie, a zamiast mnożenia przez 2 jest kwadrat.

5Monotoniczność

WarunekCiąg jestPrzykład
a₁ > 0 i q > 1rosnący3, 6, 12, 24, …
a₁ > 0 i 0 < q < 1malejący81, 27, 9, 3, …
a₁ < 0 i q > 1malejący−1, −2, −4, −8, …
a₁ < 0 i 0 < q < 1rosnący−16, −8, −4, −2, …
q < 0niemonotoniczny (naprzemienny)1, −2, 4, −8, …
q = 1stały5, 5, 5, …
Uwaga na częsty błądW ciągu geometrycznym o monotoniczności decyduje nie tylko q, ale też znak a₁. Ciąg −1, −2, −4 ma q = 2 > 1, a mimo to maleje, bo wyrazy są ujemne i coraz „bardziej ujemne”.

Ciąg geometryczny ma w moim kursie „Matematyka od podstaw do matury” osobną lekcję po ciągu arytmetycznym, a potem zestawy zadań maturalnych, także takich, które łączą oba rodzaje ciągów. Wszystko rozpisane krok po kroku, tak jak tutaj.

Zobacz kurs na Udemy

6Typowe zadania krok po kroku

Wyznacz q i a₁, znając dwa wyrazy

PrzykładW ciągu geometrycznym a2 = 6 i a5 = 162. Wyznacz q i a1.
a5 = a2 · q3od a₂ do a₅ są 3 kroki
162 = 6 · q3
q3 = 27
q = 3pierwiastek sześcienny ma jedno rozwiązanie
a1 = a2 : q = 2
Odpowiedźq = 3, a1 = 2

Pułapka: dwa możliwe ilorazy

PrzykładW ciągu geometrycznym a3 = 12 i a5 = 48. Wyznacz q.

Od a₃ do a₅ są 2 kroki: 48 = 12 · q², więc q² = 4. Równanie kwadratowe ma dwa rozwiązania: q = 2 albo q = −2. Oba ciągi istnieją: 3, 6, 12, 24, 48 oraz 3, −6, 12, −24, 48.

Odpowiedźq = 2 lub q = −2
Uwaga na częsty błądGdy w obliczeniach pojawia się q² (albo inna parzysta potęga), sprawdź, czy treść zadania wyklucza ujemne q, na przykład przez słowa „ciąg rosnący” albo „wyrazy dodatnie”. Jeśli nie, oba rozwiązania są poprawne i trzeba podać oba.

Czy ciąg jest geometryczny?

PrzykładSprawdź, czy ciąg an = 5 · 2n jest geometryczny.

Liczymy iloraz dla dowolnego n: an + 1an = 5 · 2n + 15 · 2n = 2. Iloraz jest stały, więc ciąg jest geometryczny z q = 2.

Odpowiedźtak, q = 2

Trzy wyrazy z niewiadomą

PrzykładLiczby x, 6, x + 5 tworzą w podanej kolejności ciąg geometryczny. Wyznacz x.

Z własności: 6² = x · (x + 5), czyli x² + 5x − 36 = 0. Δ = 25 + 144 = 169, √Δ = 13, więc x = (−5 + 13)/2 = 4 albo x = (−5 − 13)/2 = −9. Sprawdzenie: 4, 6, 9 (q = 3/2) oraz −9, 6, −4 (q = −2/3). Oba ciągi są geometryczne.

Odpowiedźx = 4 lub x = −9

7Ciąg geometryczny w życiu

Kapitał na lokacie z procentem składanym tworzy ciąg geometryczny: co roku mnożymy go przez 1 + p/100. Przy 5% rocznie q = 1,05, a kapitał po n latach to K₀ · 1,05ⁿ. Szczegóły są we wpisie o procencie składanym. Ten sam schemat opisuje wzrost populacji, rozpad promieniotwórczy i spadek wartości samochodu o stały procent rocznie.

8Arytmetyczny i geometryczny obok siebie

Ciąg arytmetycznyCiąg geometryczny
kolejny wyrazdodajemy rmnożymy przez q
stałaróżnica r = aₙ₊₁ − aₙiloraz q = aₙ₊₁ : aₙ
n-ty wyrazaₙ = a₁ + (n − 1)raₙ = a₁ · qⁿ⁻¹
sumaSₙ = (a₁ + aₙ)/2 · nSₙ = a₁ · (1 − qⁿ)/(1 − q)
trzy kolejne a, b, c2b = a + cb² = a · c
wykrespunkty na prostejpunkty na krzywej wykładniczej
Na maturze podstawowej

Wzory na n-ty wyraz i sumę n pierwszych wyrazów ciągu geometrycznego oraz własność wyrazu środkowego są w zestawie wzorów maturalnych CKE, obok wzorów dla ciągu arytmetycznego. Na maturze podstawowej pojawiają się zadania zamknięte o konkretnym wyrazie lub ilorazie i zadania otwarte z trzema wyrazami z niewiadomą. Czasem jedno zadanie łączy oba rodzaje ciągów.

Zadanie w stylu maturalnym (zamknięte)W ciągu geometrycznym a1 = 2 i q = −3. Czwarty wyraz tego ciągu jest równy:

A. −54
B. 54
C. −18
D. 162

Rozwiązanie: a₄ = 2 · (−3)³ = 2 · (−27) = −54. Odpowiedź A. B wychodzi przy zgubieniu minusa (nieparzysta potęga liczby ujemnej jest ujemna), C to 2 · (−3)², czyli zły wykładnik i znak, a D to 2 · 3⁴.

Zadanie w stylu maturalnym (otwarte)Ciąg (x, 4, x + 6) jest geometryczny i ma wyrazy dodatnie. Wyznacz x oraz iloraz tego ciągu.
42 = x(x + 6)własność wyrazu środkowego
x2 + 6x − 16 = 0
Δ = 36 + 64 = 100
x = 2 lub x = −8
x = 2wyrazy dodatnie, więc −8 odrzucamy

Ciąg to 2, 4, 8, więc q = 2. Odpowiedź: x = 2, q = 2. W zadaniu otwartym zapisz, dlaczego odrzucasz x = −8.

9Najczęstsze błędy

Pierwszy błąd to wykładnik n zamiast n − 1 we wzorze na aₙ. Drugi to liczenie a₁ · qⁿ⁻¹ jako (a₁ · q)ⁿ⁻¹. Trzeci to zgubienie znaku przy ujemnym q i nieparzystej potędze. Czwarty to podanie tylko q = 2, gdy z q² = 4 wynika też q = −2. Piąty to ocenianie monotoniczności tylko po q, bez sprawdzenia znaku a₁. Szósty to pomylenie własności wyrazu środkowego z ciągiem arytmetycznym, czyli 2b = a + c zamiast b² = ac.

10Sprawdź się

Policz samodzielnie, a potem kliknij, żeby zobaczyć rozwiązanie.

1. a₁ = 5, q = 2. Oblicz a₅.

5 · 2⁴ = 80

2. Ciąg 64, 32, 16, … Oblicz q i a₇.

q = ½, a₇ = 64 · (½)⁶ = 1

3. a₁ = 2, a₄ = 54. Oblicz q.

q³ = 27, q = 3

4. a₂ = 3, a₄ = 27. Oblicz q.

q² = 9, q = 3 lub q = −3

5. Oblicz sumę 1 + 2 + 4 + … + 2⁹.

a₁ = 1, q = 2, n = 10: (1 − 1024)/(1 − 2) = 1023

6. Czy aₙ = 3ⁿ⁺¹ jest geometryczny?

aₙ₊₁ : aₙ = 3, tak, q = 3

7. Liczby 2, x, 18 tworzą ciąg geometryczny o wyrazach dodatnich. Wyznacz x.

x² = 36, x = 6

Ciągi i cała matura krok po kroku

W kursie wideo „Matematyka od podstaw do matury” ciągi mają osobny dział: pojęcie ciągu, ciąg arytmetyczny, ciąg geometryczny i zadania maturalne, także takie, które łączą oba rodzaje ciągów albo wiążą się z procentem składanym. Dalej są geometria, statystyka i prawdopodobieństwo. Oglądasz w swoim tempie i wracasz do lekcji, kiedy potrzebujesz.

Przejdź do kursu na Udemy
Facebook
Pinterest
Twitter
LinkedIn

KURS MATURALNY

Uczysz się do matury z matematyki?

Jeśli ten wpis Ci pomógł, ale masz w głowie:

„okej, ten temat ogarniam… ale co z całą resztą?”

to właśnie po to stworzyłam mój kurs maturalny.

Nie musisz skakać po przypadkowych filmach, wpisach i zadaniach ani zastanawiać się, czego uczyć się najpierw.

W kursie przechodzimy przez wszystko krok po kroku:

Najpierw Narzędziownia – czyli podstawy, na których najczęściej wykładają się zadania: ułamki, potęgi, pierwiastki, procenty, logarytmy i inne rzeczy, które „niby były”, ale jakoś nie chcą zostać w głowie.

Potem zadania maturalne – dział po dziale, dokładnie w takim stylu, jaki spotkasz na maturze.

Na końcu arkusze CKE – żebyś nie tylko znał/a teorię, ale umiał/a faktycznie usiąść do arkusza i liczyć.

Ty liczysz. Ja pilnuję, żeby to miało kolejność. 😎

Schemat jest prosty i brutalnie skuteczny:

zrozumienie → praktyka → powtórka → utrwalenie.

Zaczynasz od zera

3–4 miesiące

Masz już podstawy

4–6 tygodni