Una progresión aritmética o secuencia aritmética es una secuencia de números tal que la diferencia entre cualquier término sucesivo y su término precedente permanece constante a lo largo de la secuencia. La diferencia constante se denomina diferencia común de esa progresión aritmética. Por ejemplo, la secuencia 5, 7, 9, 11, 13, 15, . . . es una progresión aritmética con una diferencia común de 2.
Si el término inicial de una progresión aritmética es y la diferencia común de los miembros sucesivos es , entonces el término -ésimo de la secuencia ( ) está dado por
Una parte finita de una progresión aritmética se denomina progresión aritmética finita y, a veces, simplemente progresión aritmética. La suma de una progresión aritmética finita se denomina serie aritmética .
Historia
Según una anécdota de incierta fiabilidad, [1] en la escuela primaria Carl Friedrich Gauss reinventó la fórmula para sumar los números enteros del 1 al , para el caso , agrupando los números de ambos extremos de la secuencia en pares que sumaban 101 y multiplicaban por el número de pares. Independientemente de la verdad de esta historia, Gauss no fue el primero en descubrir esta fórmula. Reglas similares eran conocidas en la antigüedad por Arquímedes , Hipsícles y Diofanto ; [2] en China por Zhang Qiujian ; en la India por Aryabhata , Brahmagupta y Bhaskara II ; [3] y en la Europa medieval por Alcuino , [4] Dicuil , [5] Fibonacci , [6] Sacrobosco , [7] y comentaristas anónimos del Talmud conocidos como Tosafistas . [8] Algunos consideran probable que su origen se remonte a los pitagóricos en el siglo V a. C. [9]
Suma
Cálculo de la suma 2 + 5 + 8 + 11 + 14. Cuando la secuencia se invierte y se suma a sí misma término por término, la secuencia resultante tiene un único valor repetido, igual a la suma del primer y el último número (2 + 14 = 16). Por lo tanto, 16 × 5 = 80 es el doble de la suma.
La suma de los miembros de una progresión aritmética finita se denomina serie aritmética . Por ejemplo, considere la suma:
Esta suma se puede encontrar rápidamente tomando el número n de términos que se suman (aquí 5), multiplicando por la suma del primer y último número en la progresión (aquí 2 + 14 = 16) y dividiendo por 2:
En el caso anterior, esto da la ecuación:
Esta fórmula funciona para cualquier progresión aritmética de números reales que comiencen con y terminen con . Por ejemplo,
Derivación
Para derivar la fórmula anterior, comience expresando la serie aritmética de dos maneras diferentes:
Reescribiendo los términos en orden inverso:
Sumando los términos correspondientes de ambos lados de las dos ecuaciones y dividiendo ambos lados por la mitad:
Esta fórmula se puede simplificar así:
Además, el valor medio de la serie se puede calcular mediante :
La fórmula es esencialmente la misma que la fórmula para la media de una distribución uniforme discreta , interpretando la progresión aritmética como un conjunto de resultados igualmente probables.
Producto
El producto de los miembros de una progresión aritmética finita con un elemento inicial a 1 , diferencias comunes d y n elementos en total se determina en una expresión cerrada
donde denota la función Gamma . La fórmula no es válida cuando es negativo o cero.
Esta es una generalización de los hechos de que el producto de la progresión está dado por el factorial y que el producto
Por la fórmula de recurrencia , válida para un número complejo ,
,
,
de modo que
para un entero positivo y un número complejo positivo.
Por lo tanto, si ,
,
y, finalmente,
Ejemplos
Ejemplo 1
Tomando el ejemplo , el producto de los términos de la progresión aritmética dada por hasta el término 50 es
Ejemplo 2
El producto de los primeros 10 números impares viene dado por
= 654.729.075
Desviación estándar
La desviación estándar de cualquier progresión aritmética es
donde es el número de términos de la progresión y es la diferencia común entre términos. La fórmula es esencialmente la misma que la fórmula para la desviación estándar de una distribución uniforme discreta , interpretando la progresión aritmética como un conjunto de resultados igualmente probables.
Intersecciones
La intersección de dos progresiones aritméticas doblemente infinitas cualesquiera es vacía u otra progresión aritmética, que se puede encontrar utilizando el teorema del resto chino . Si cada par de progresiones en una familia de progresiones aritméticas doblemente infinitas tiene una intersección no vacía, entonces existe un número común a todas ellas; es decir, las progresiones aritméticas infinitas forman una familia Helly . [10] Sin embargo, la intersección de infinitas progresiones aritméticas infinitas podría ser un solo número en lugar de ser en sí misma una progresión infinita.
Cantidad de subconjuntos aritméticos de longitudadel conjunto {1,...,n}
Sea el número de subconjuntos de longitud que se pueden formar a partir del conjunto y sea definido como:
Entonces:
A modo de ejemplo, si uno espera subconjuntos aritméticos y, contando directamente, ve que hay 9; estos son
Progresión aritmética generalizada , un conjunto de números enteros construidos como una progresión aritmética, pero permitiendo varias posibles diferencias
^ Hayes, Brian (2006). «Gauss's Day of Reckoning». American Scientist . 94 (3): 200. doi :10.1511/2006.59.200. Archivado desde el original el 12 de enero de 2012. Consultado el 16 de octubre de 2020 .
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