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Hallo an alle Helfer!


Aufgabe:

Ich soll den Grenzwert der folgenden Reihe berechnen:

$$1 ; 3/2 ; 9/4 ; 27/8 ; 80/16 ; 206/31 ; 458/57 ; 904/99$$


Problem/Ansatz:

Ich habe versucht, einen Term für die Folgenglieder zu bestimmen. Die Zähler sehen ja am Anfang aus wie 3^n und die Nenner wie 2^n. Doch dann weichen sie von dem Schema ab.

Aus Verzweiflung habe ich Wolframalpha gefragt. Da sind die Zahlenreihen bekannt

a_n = 1/24 (15 n^4 - 118 n^3 + 381 n^2 - 494 n + 240) 

1,3,9,27,80,206,458,904,...

a_n = 1/24 (n^4 - 6 n^3 + 23 n^2 - 18 n + 24)

1,2,4,8,16,31,57,99,...

Demnach wäre der Grenzwert 15.

Meine Frage ist nun, wie kommt Wolframalpha auf den Ausdruck für die Folgenglieder? Sind das irgendwelche bekannten Folgen, die man kennen sollte?

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Man kann für solche Folgen auch OEIS fragen. Dort habe ich etwas für die Folge der Nenner gefunden, aber nicht für die Zähler.

2 Antworten

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Beste Antwort

Aloha :)

Nein, so etwas brauchst du nicht zu lernen. Dahinter steckt ein simpler Algorithmus. Ich probiere mal am Beispiel der Zählerreihe, ob ich den noch zusammenkriege. Das habe ich als Jugendlicher mal programmiert, ist also schon was länger her. Du bildest die Differenz benachbarter Werte und wiederholst das so lange, bis du nur noch gleiche Zahlen erhältst.

$$\begin{array}{cc} & 1\quad3\quad9\quad27\quad80\quad206\quad458\quad904\\ & 2\quad6\quad18\quad53\quad126\quad252\quad\!\!446\\ & \!\!\!4\quad12\quad35\quad73\quad126\quad194\\ & \!\!\!\!\!\!8\quad23\quad\,38\quad53\quad\;\;68\\ & \!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!15\quad\,15\quad\,15\quad15\end{array}$$

Dann schreibst du Binomialkoeffizienten wie folgt davor:

$$\begin{array}{c|c}\binom{n}{0} & 1\quad3\quad9\quad27\quad80\quad206\quad458\quad904\\[1ex]\binom{n}{1} & 2\quad6\quad18\quad53\quad126\quad252\quad\!\!446\\[1ex]\binom{n}{2} & \!\!\!4\quad12\quad35\quad73\quad126\quad194\\[1ex]\binom{n}{3} & \!\!\!\!\!\!8\quad23\quad\,38\quad53\quad\;\;68\\[1ex]\binom{n}{4} & \!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!15\quad\,15\quad\,15\quad15\end{array}$$Schließlich mulitplizierst du die Binomialkoeffizienten mit dem ersten Wert der Reihe und schreibst den Ausdruck für die Folge hin:

$$a_n=1\cdot\binom{n}{0}+2\cdot\binom{n}{1}+4\cdot\binom{n}{2}+8\cdot\binom{n}{3}+15\cdot\binom{n}{4}\quad;\quad n\ge0$$

Wenn du jetzt die Binomialkoeffizienten einsetzt:$$\binom{n}{0}=1$$$$\binom{n}{1}=\frac{n}{1}$$$$\binom{n}{2}=\frac{n(n-1)}{1\cdot2}$$$$\binom{n}{3}=\frac{n(n-1)(n-2)}{1\cdot2\cdot3}$$$$\binom{n}{4}=\frac{n(n-1)(n-2)(n-3)}{1\cdot2\cdot3\cdot4}$$

und dann den Term vereinfachst, sollte das Ergebnis von WolframAlpha rauskommen.

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Wenn eine Folge sich als Polynom k-ten Grads darstellen lässt, so spricht man von einer Folge k-ter Ordnung. Dies ist genau dann der Fall, wenn die k-te Differenzfolge konstant ist:


an1

3

9
27

80

206

458

904
Δan

2

6

18

53

126

252

446

Δ2an


4

12

35

73

126

194


Δ3an



8

23

38

53

68



Δ4an




15

15

15

15




Die Folge im Zähler lässt sich also durch ein Polynom 4-ten Grades darstellen:

f(x) = ax4 + bx3 + cx2 + dx + e

Mit den ersten k+1 Folgengliedern kannst du ein LGS aufstellen und lösen. Wenn du dies auch per Hand machen möchtest, bietet sich an die gleiche Tabelle nochmal mit dem Polynom aufzustellen (auch hier genügen die ersten k+1 Glieder)

f(n)
a+b+c+d+e

16a+8b+4c+2d+e

81a+27b+9c+3d+e

256a+64b+16c+4d+e

625a+125b+25c+5d+e
g(n)

15a+7b+3c+d

65a+19b+5c+d

175a+37b+7c+d

369a+61b+9c+d

g2(n)


50a+12b+2c

110a+18b+2c

194a+24b+2c


g3(n)



60a+6b

84a+6b



g4(n)




24a





Jetzt in jeder Zeile den ersten Eintrag mit dem Ergebnis aus der ersten Tabelle gleichsetzen (von unten beginnend):

24a = 15 ⇔ a = 15/24

60*15/24 + 6b = 8 ⇔ b = -59/12

50*15/24 + 12*(-59/12) + 2c = 4 ⇔ c = 127/8

15*15/24 + 7*(-59/12) + 3*127/8 + d = 2 ⇔ d = -247/12

15/24 - 59/12 + 127/8 - 247/12 + e = 1 ⇔ e = 10

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