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Seminario de Resolución de Problemas: Series geométricas

Por Fabian Ferrari

Introducción

En esta entrada y en otras subsecuentes, trataremos el tema de series aplicado a la resolución de problemas matemáticos. Recordemos que en entradas anteriores ya se estudiaron los conceptos de sucesiones. Para esta entrada aprovecharemos lo que hemos aprendido de sucesiones geométricas.

Series geométricas

Si consideramos una sucesión geométrica {ai}iN, recordemos que se cumple que existe una razón r de tal manera que an=ran1, expresado en el primer término, tenemos que an=rna0. Ahora bien, nos interesará saber o conocer las suma de los elementos de una sucesión geométrica. A esta suma se le conoce como serie geométrica y puede realizarse considerando una cantidad finita de elementos de la sucesión, así como una cantidad infinita de elementos de la sucesión.

Si queremos obtener la serie geométrica de los primeros n+1 elementos de la sucesión {ai}iN, tenemos lo siguiente

i=0nai=a0+a1+a2+a3++an.

Al multiplicar ambos lados de la igualdad por la razón de la sucesión tenemos que

\begin{align}
\sum_{i=0}^n a_i&=a_0+a_1+a_2 +a_3+\ldots+a_n\
r\sum_{i=0}^n a_i&=ra_0+ra_1+ra_2 +ra_3+\ldots+ra_n\
&=a_1+a_2+\ldots+a_{n+1}
\end{align*}

Y si calculamos ri=0naii=0nai, se cancelan todos los términos excepto el último de la primer suma, y el primero de la segunda. Obtenemos entonces:

ri=0naii=0nai=an+1a0.

Así,
i=0nai=an+1a0r1=a0rn+11r1.

Ahora bien, si tenemos la sucesión geométrica {ai}iN y queremos calcular la serie infinita de todos sus elementos basta con que calculemos el límite cuando n tiende a infinito de i=0nai=a0rn+11r1.

Supogamos que a00, pues en otro caso la suma de los términos es igual a 0. Si |r|>1, el numerador diverge y por lo tanto la serie también. Cuando r=1, la serie diverge pues cada sumando es igual a a00. Cuando r=1, tenemos una serie de términos alternante que no converge, pues es, iteradamente, a0,0,a0,0,.

Por otro lado, si |r|<1, entonces rn+10. En este caso, la serie converge a a01r.

Aplicación de series geométricas a áreas

Si consideramos la sucesión {xi}iN tenemos que dicha sucesión está dada por {1,x,x2,x3,} la sucesión es geométrica, dado que la razón es r=x.

De acuerdo al análisis que hicimos arriba, la serie geométrica finita está dada por

i=0nxi=(1)xn+11x1=1xn+11x

A partir de aquí deducimos que la serie geométrica infinita está dada por

i=0xi=limn1xn+11x=11x

solo si |x|<1. En otro caso, la serie diverge.

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Un problema aplicado a la geometría

Consideremos la siguiente figura, en donde ABC es un triángulo equilatero y OA=16.


Imaginemos que la figura continúa internamente de manera infinita, resultando en una cantidad infinita de triángulos, todos ellos equiláteros. ¿Cuál sería la suma de las áreas de todos los triángulos?

Para ello, primero tendríamos que ver el área de cada triángulo como elemento de una sucesión, la cual parece que será geométrica.

Comencemos calculando el área del ABC. Para ello tenemos que determinar el valor de la altura. Notemos que CE es altura del triángulo, a su vez, CE=OC+OE. Como OC es radio de la circunferencia, tenemos que OC=16. Sólo falta determinar el valor del segmento OE.

Si nos fijamos en AOE, tenemos que es un triángulo rectángulo, además que AO es bisectriz del A, así que OAE=30o. Como sin30o=OE/16=1/2 tenemos entonces que OE=8.

Por lo anterior, tenemos que que la altura del ABC está dada por h=24. De una manera similar podemos calcular la base del triángulo, la cual está dada por b=163. Así, el área del ABC es A0=1923.

El área del triángulo inscrito en el ABC es la cuarta parte de A0, es decir A1=14A0. De manera sucesiva A2=14A1, A3=14A2,.

Si nos fijamos en la sucesión de las áreas de los triángulos$\{A_i\}_{i\in\mathbb{N}tenemosqueesgeométricaderazónr=1/4$.

De esta forma, la suma de las áreas de todos los triángulos es una serie geométrica dada por

i=0Ai=limx(1923)1(1/4)n+11(1/4)=(1923)11(1/4)=(1923)(4/3)=2563

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Aplicación de series geométricas a números perfectos

Un número entero positivo n se dice que es perfecto si la suma de sus divisores sin incluir al mismo n da como resultado n. Por ejemplo, el número 6 es un número perfecto ya que sus divisores sin incluir al mismo 6 son 1,2,3 y su suma 1+2+3=6.

Ahora veamos un problema que relaciona a los números perfectos y a las series geométricas.

Problema: Sea n=2p1(2p1), donde 2p1 es primo. Prueba que n es un número perfecto.

Solución: Tenemos que todos los divisores de n sin contar al mismo n están conformados por la unión de las siguientes dos sucesiones finitas.

{2i}i=0p1=1,2,22,,2p1{(2p1)2i}i=0p2=(2p1),22(2p1),23(2p1),,2p2(2p1)

Si consideramos la suma de los elementos de cada sucesión

i=0p12i=2p121=2p1i=0p22i(2p1)=(2p1)2p121=(2p1)(2p11)

Así la suma de todos los divisores de n sin incluir al propio n es

(2p1)+(2p1)(2p11)=(2p1)(1+2p11)=2p1(2p1)=n.

Por lo tanto, tenemos que n es un número perfecto.

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Otro problema interesante

Problema: Una sucesión está definida por a1=2 y an=3an1+1, encuentra el valor de la suma a1+a2+a3++an.

Solución: Notemos que la sucesión que nos dan no es geométrica, dado que no es posible encontrar un número r que funcione como razón. Así que busquemos un patrón que aparezca al realizar las primeras sumas.

a1=2a2=3a1+1=3(2)+1a3=3a2+1=3(3(2)+1)+1=32(2)+3+1a4=3a3+1=3(32(2)+3+1)+1=33(2)+32+3+1a5=3a4+1=3(33(2)+32+3+1)=34(2)+33+32+3+1.

De manera sucesiva, podemos conjeturar y mostrar por inducción que
an=3n1(2)+3n2++3+1=3n1(2)+3n112=53n112.

Así que

i=1nai=i=1n53i112=12i=1n53i11=12(53n12n).

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Más problemas

Puedes encontrar más problemas de series geométricas en la sección 5.2 del libro Problem Solving through Problems de Loren Larson.

Seminario de Resolución de Problemas: Sucesiones aritméticas y geométricas

Por Leonardo Ignacio Martínez Sandoval

Introducción

En esta y las siguientes entradas platicaremos varios temas relacionados con sucesiones, y cómo se aplican a la resolución de problemas matemáticos. Comenzaremos recordando qué es una sucesión y estudiando a las sucesiones aritméticas y geométricas. Más adelante, platicaremos de los siguientes tipos de sucesiones:

  • Periódicas
  • Acotadas
  • Recursivas
  • Con recursiones lineales
  • Monótonas
  • Convergentes

Supondremos que el que lee estas notas está al menos un poco familiarizado con estos conceptos. De cualquier forma, recordaremos las definiciones que vayamos necesitando.

Recordatorio de sucesiones

Una sucesión formalmente es una función de los naturales a un conjunto X. Aunque esta es la definición formal, es bastante más práctico pensar a una sucesión como ciertos elementos de X en donde hay uno que es el primero, después del cual aparecen más, uno tras otro.

En muchos problemas, X es un conjunto de números, como los naturales, enteros, racionales o reales. Sin embargo, X también puede ser un conjunto de funciones, de polinomios, de figuras geométricas o de prácticamente cualquier otra cosa. Por ejemplo, en topología algebraica son de interés ciertas sucesiones de grupos.

Usaremos la notación {xn} para referirnos a una sucesión. Aunque usa llaves (como si fuera conjunto), en realidad los elementos están «ordenados de izquierda a derecha», entonces se tiene que pensar como {xn}=(x0,x1,x2,x3,). El término xn es el n-ésimo término de la sucesión.

Podemos definir a una sucesión de manera implícita mediante una fórmula, o mediante forma explícita escribiendo algunos de sus términos cuando el patrón que sigue es muy claro (lo cual no siempre pasa). Por ejemplo, la sucesión {xn} tal que para todo n0, tenemos xn=1 es explícitamente la sucesión 1,1,1,1,1,, mientras que la sucesión {yn} tal que para todo n0 se tiene yn=n(n+1) es explícitamente la sucesión 0,2,6,12,20,.

A partir de la forma implícita podemos dar tantos términos como queramos de la forma explícita, pero lo contrario no es cierto. Algunos acertijos se tratan de tomar pocos términos de una sucesión dada de manera explícita, y preguntar cuál es el siguiente término, o bien cuál es la regla general.

En términos formales, la respuesta no es única, pues la sucesión, en teoría, podría continuar como sea. Sin embargo, como acertijo es divertido encontrar una regla fácil de enunciar y que funcione siempre. Algunas sucesiones en las que se puede hacer esto son las siguientes:

  • 1,1,1,1,1,1,1,
  • 1,2,3,4,5,6,7,
  • 2,4,6,8,10,12,14,
  • 1,12,14,18,116,132,164,
  • i,1,2,3i,5,8i,13,21i,
  • 1,2,3,2,5,6,7,
  • 4,3,2,1,4,3,2,1,4,3,

En todos estos ejemplos, la sucesión tiene cierto patrón u orden. Pero hay muchas otras sucesiones que no tienen un patrón claro para enunciarlas de forma implícita, o bien en las que este patrón es más difícil de encontrar:

  • 3,1,4,1,5,9,2,6,5,
  • 4,13,0,1,7,18,54,
  • 2,1,24,6,720,120,40320,5040,

Como ya comentamos, la forma explícita de una sucesión tiene el problema de que no sabemos cuáles términos siguen. Si en un problema aplicamos la heurística de buscar un patrón y tenemos que los primeros términos de una sucesión son 2,4,6,8,10,12 por muy tentador que sea no podemos garantizar que el siguiente será 14, hasta que no tengamos una demostración para ello.

Es posible que resolviendo problemas, o en otro quehacer matemático, encuentres los primeros términos de una sucesión de enteros y quieras saber cuál es. Una herramienta muy útil para ello es Enciclopedia en Línea de Sucesiones en Enteros (OEIS). Tiene un buscador en el que pones los primeros términos, y de ahí te sugiere algunas sucesiones que pueden ser la que estás buscando.

Problema. Para un entero n1, se toman n puntos distintos sobre la orilla de una circunferencia. Se dibujan todos los segmentos entre pares de esos puntos. Se sabe que no hay tres de esos segmentos que coincidan en el interior de la circunferencia. ¿En cuántas regiones queda dividida el área de la circunferencia?

Sugerencia pre-solución. Haz varias figuras para hacer casos pequeños y buscar un patrón. Ten cuidado, pues el patrón no es el que puedes deducir inmediatamente.

Solución. Veamos qué sucede con casos pequeños. Cuando tenemos un punto, no hay segmentos y sólo queda 1 región. Si tenemos dos puntos, se hace un segmento y tenemos 2 regiones. Para tres puntos, queda un triángulo y tres regiones a sus lados, así que son 4 regiones en total. Las siguientes figuras muestran que para cuatro y cinco puntos tenemos 8 y 16 regiones en total:

Casos de cuatro y cinco puntos

Así, la sucesión de cuántas regiones hay hasta ahora va así de manera explícita: 1,2,4,8,16

Parecería que es la sucesión de potencias de dos, y que la respuesta sería entonces 2n1. Pero esto es incorrecto. Al hacer un caso más, nos damos cuenta de esto, pues para seis puntos tenemos únicamente 31 regiones:

Caso de seis puntos

Cuando estamos haciendo matemáticas, o resolviendo un problema con acceso a internet, podemos poner esta sucesión en la OEIS para ver si hay algo que nos pueda ayudar.

Realizando la búsqueda, obtenemos varios resultados, y el segundo resultado tiene exactamente la descripción que queremos. La OEIS tiene una sección de fórmulas que podemos usar.

Ahí, dice que la cantidad de regiones es (n10)+(n11)+(n12)+(n13)+(n14), (lo cual se puede probar usando inducción) y de hecho, usando la definición de coeficientes binomiales, se puede ver que la expresión anterior es igual a n46n3+23n218n+2424.

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Sucesiones aritméticas

Una sucesión aritmética es una sucesión en la cual de un término al siguiente siempre hay una misma diferencia. Un ejemplo es la sucesión 1,4,7,10,13,16,19,, que construimos de modo que la diferencia de un término al siguiente siempre sea 3.

Si conocemos el término inicial a0=a de una sucesión aritmética y la diferencia d, entonces conocemos todos los términos. En efecto, se puede probar inductivamente que an=a+nd.

Esta fórmula es muy útil para trabajar con sucesiones aritméticas. Por ejemplo, si sabemos que {an} es una sucesión aritmética tal que a5=30 y a7=48, entonces por un lado a7a5=4830=18, y por otro a7a5=(a+7d)(a+5d)=2d. De este modo, la diferencia es d=9, y el término inicial es a=a779=4863=15.

Problema. Muestra que en cualquier sucesión aritmética de enteros con diferencia d>0 que tenga al menos un número al cubo k3, tiene una infinidad de cubos.

Sugerencia pre-solución. Usa una identidad algebraica.

Solución. Podemos suponer sin perder generalidad que k>0. Para que una sucesión aritmética sea de enteros, su diferencia tiene que ser un número entero. Así, d es un entero positivo.

Como k3 es uno de los términos y la diferencia es d, entonces k3+nd también es un término para cualquier entero positivo n. En particular, lo es para los enteros de la forma n=3mk2+3m2dk+m3d2, con m un entero positivo. De esta forma, k3+3mdk2+3m2d2k+m3d3=(k+md)3 es un término de la sucesión para todo entero positivo m, así que la sucesión tiene una infinidad de cubos.

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Una observación sencilla, pero útil, es que si {an} es una sucesión aritmética de enteros con término inicial a y diferencia d>0, entonces los términos de a son exactamente los números ma tales que ma(modd). Las sucesiones aritméticas juegan un papel importante en algunos resultados de teoría de números, por ejemplo, el siguiente teorema.

Teorema de Dirichlet. Sean a y b enteros primos relativos. En la sucesión de enteros {a+bn} hay una infinidad de primos. De manera equivalente, hay una infinidad de primos p tales que pa(modb).

Sucesiones geométricas

Si tenemos una sucesión en la cual para pasar de un término al siguiente siempre multiplicamos por un mismo número, entonces tenemos una sucesión geométrica. Estos son tres ejemplos:

  • 1,2,4,816,32,64,
  • 2020,0,0,0,0,0,
  • 64,96,144,216,324,486,729,

La primera está construida de modo que hay que multiplicar por 2 para pasar de un término al siguiente. La segunda de modo que hay que multiplicar por 0. En la última se multiplica por 32. Parece que la última sucesión es de enteros, pero el siguiente término ya no es entero, pues es 21872.

De nuevo, si el término inicial es a0=a y la razón (el número por el que se multiplica en cada paso) es r, entonces una sencilla inducción muestra que el término an es arn. Si a=0, la sucesión es toda igual a 0. Si r=0, a partir del segundo término la sucesión es 0. En otro caso, conociendo dos valores de una sucesión geométrica podemos conocer información acerca de r.

Problema. La sucesión de números complejos {an} es geométrica y cumple que a6=a24=2020. ¿Qué posibles valores puede tener a0?

Sugerencia pre-solución. Usa la fórmula para sucesiones geométricas. Como estás trabajando en C, recuerda considerar todas las posibilidades que te da la aritmética de complejos.

Solución. Si el término inicial de la sucesión es a0=a y la razón es r, sabemos que ar6=2020=ar24. La primer igualdad implica r0 y a=2020r60. La igualdad entre la primera y última igualdad implica que r18=1, que podemos escribir como (r6)3=1. De aquí, r6 puede ser cualquier cúbica de la unidad, y por lo tanto r6 también. De esta forma, a=2020ω, con ω cualquier raíz cúbica de la unidad.

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Un problema de sucesiones geométricas y aritméticas

En el siguiente problema se mezclan los dos tipos de sucesiones de los que hemos hablado.

Problema. La sucesión {xn} es aritmética. La sucesión {yn} es geométrica. Tenemos que

x1+y1=1x2+y2=8x3+y3=10x4+y4=32.

Determina el valor de x5+y5.

Sugerencia pre-solución. Modifica el problema a encontrar los términos iniciales, diferencia y razón de las sucesiones. Usa las fórmulas para cada tipo de sucesión.

Solución. Supongamos que {xn} tiene término inicial x0=a y diferencia d. Supongamos que {yn} tiene término inicial y0=s y razón r. Vamos a determinar a,d,r,s. Usando las fórmulas para sucesiones aritmétricas y geométricas, las ecuaciones de la hipótesis se pueden reescribir como sigue:

a+d+rs=1a+2d+r2s=8a+3d+r3s=10a+4d+r4s=32.

Restando la primera ecuación de la segunda, la segunda de la tercera, y la tercera ecuación de la cuarta, tenemos las siguientes tres ecuaciones:

d+r(r1)s=7d+r2(r1)s=2d+r3(r1)s=22.

Restando la primer ecuación de la segunda, y la segunda ecuación de la tercera, tenemos las siguientes dos ecuaciones:

r(r1)2s=5r2(r1)2s=20.

De aquí, s0, r0 y r1. Multiplicando la primer ecuación por 4, tenemos que 4r(r1)2s=20=r2(r1)2s. Cancelando r(r1)2s (pues no es cero) de ambos lados, obtenemos que r=4. Así, la primera ecuación se transforma en 4(25)s=5, por lo que s=1/20.

De la ecuación d+r(r1)s=7, obtenemos entonces d=71=6. Finalmente, de la ecuación a+d+rs=1, obtenemos a=16+1/5=245.

En resumen, a=245,d=6,s=120,r=4.

De esta forma,
x5+y5=a+5d+rs5=245+304520=26.

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Más problemas

Esta entrada es una extensión de las secciones 1, 2 y 3 del curso de sucesiones que impartí para los entrenadores de la Olimpiada Mexicana de Matemáticas. Puedes consultar las notas de este curso en el siguiente PDF, en donde hay más problemas de práctica: