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Wie soll man auf eine geschlossene Formel kommen?


Also die Aufgabe ist zum Beispiel \( \sum\limits_{k=1}^{n}{k} \) *Anmerkung unten* und man soll die geschlossene Formel finden und diese mit vollständiger Induktion beweisen. Nur verstehe ich noch nicht so ganz, was eine geschlossene Formel sein soll und noch weniger wie man von einer Summe auf diese kommt.


*!Es soll k2 und nicht nur k heißen, irgendwie wird das nicht angezeigt!*

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Schreibe die ersten Folgeglieder auf und mache eine Vermutung. Schaffst du das?

[spoiler]

1; 5; 14; 30; 55; 91; 140; 204; 285; 385

[/spoiler]

Avatar von 480 k 🚀

Das Problem ist halt, dass ich nicht weiß worum es bei der Vermutung geht.


Die Folgeglieder sind halt 1, 4, 9, 16, 25 etc. aber worum geht es nun bei der geschlossenen Formel? Also was soll ich mit der Folge überhaupt machen, was ist das Ziel?

1, 4, 9, 16, 25 sind die Folgeglieder in der Summe

Wenn du die Summe mit nimmst sind es

1 = 1

1 + 4 = 5

1 + 4 + 9 = 14

1 + 4 + 9 + 16 = 30

1 + 4 + 9 + 16 + 25 = 55

1 + 4 + 9 + 16 + 25 + 36 = 91

Also

1; 5; 14; 30; 55; 91; 140; 204; 285; 385

Könntest du dort jetzt ein paar Differenzenreihen drunter schreiben bis dir etwas auffällt.

Für die Differenzenreihen bildest du immer die Differenzen zwischen zwei Folgegliedern.

Also:

1 - 0 = 1

5 - 1 = 4

14 - 5 = 9

30 - 14= 16

etc. sprich die Differenzreihen sind wieder die Quadrate der natürlichen Zahlen?

1 - 0 gibt es hier nicht wirklich weil du 0 nicht in der Reihe stehen hattest.

Und jetzt machst du die Differenzenreihe der Differenzenreihe. Schaffst du das?

Und dann die Differenzenreihe der neuen Differenzenreihe. Schaffst du das auch noch?

Also:

4 - 1 = 3

9 - 4 = 5

16 - 9 = 7

25 - 16 = 9

36 - 25 = 11

49 - 36 = 13

(Sprich, es kommt immer 2 dazu)

Und dann:

5 - 3 = 2

7 - 5 = 2

9 - 7 = 2

11 - 9 = 2

13 - 11 = 2

(Also immer 2 und die nächste Differenzreihe wäre damit immer 0)

Das ist beeindruckend, aber ich verstehe noch nicht, was ich nun damit tun soll bzw. kann?

Das ist beeindruckend, aber ich verstehe noch nicht, was ich nun damit tun soll bzw. kann?

Wenn, wie hier, die dritte Differenzenreihe konstant ist, dann hast du einen kubischen Zusammenhang.

Die Folge an kannst du also schreiben als

an = a·n^3 + b·n^2 + c·n + d

Weißt du, wie du hier auf die Werte a, b, c und d kommst?

Stichwort Steckbriefaufgabe?

Noch nicht wirklich, bei uns wurde als geschlossene Formel:


\( \frac{1}{6} \) n (2n + 1)(n + 1) genommen, nur wurde nicht erklärt wie man überhaupt auf solche geschlossenen Formeln kommt oder was die überhaupt sind.

Diesen kubischen Zusammenhang haben wir noch nicht besprochen.

du suchst eine Funktion

an = f(n) = a·n^3 + b·n^2 + c·n + d

welche folgende Bedingungen / Eigenschaften erfüllt,

f(1) = 1
f(2) = 5
f(3) = 14
f(4) = 30

Das gibt ein lineares Gleichungssystem welches man lösen kann. Ich benutze mal http://www.arndt-bruenner.de/mathe/scripts/steckbrief.htm

Gleichungssystem

a + b + c + d = 1
8a + 4b + 2c + d = 5
27a + 9b + 3c + d = 14
64a + 16b + 4c + d = 30

Errechnete Funktion

f(x) = 1/3·x^3 + 1/2·x^2 + 1/6·x

Nun könnte man erstmal 1/6·x ausklammern

f(x) = 1/6·x·(2·x^2 + 3·x + 1)
f(x) = 1/6·x·(2·x^2 + 2·x + x + 1)
f(x) = 1/6·x·(2·x·(x + 1) + ( x + 1))
f(x) = 1/6·x·((2·x + 1)·(x + 1))

So bekommt man also hier eine Funktion hin.

f(n) = 1/6·n·(2·n + 1)·(n + 1)

Dass diese jetzt nicht nur für die ersten Werte gilt, die wir von Hand berechnet haben, sondern eben für alle, beweist man jetzt im Anschluss mit der vollständigen Induktion.

Vielen Dank!

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