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一提起Sequence(数列),大家就马上想起那个被举了无数次,甚至被举烂了的例子,那就是1,2,3,4.
在A-Levels纯数学的知识结构中,数列(sequence and series)似乎只是一个跑龙套的角色,没什么难度,与核心知识也没什么关联。但我敢保证,它与核心知识(函数和微积分)的关联绝对比你想象的要丰富得多。
让我们来回忆一下数列的基础知识
数列(sequence/progression)是由若干个数(可能是有限个,也可能有无穷多个)线性排列而成的集合。比如1,3,5,7,9…
其中每个数称为数列的项(term),每一项都有它的位置(position)和值(value)。比如,上述数列的第1项(位置)是1(值),第2项是3,第3项是5,……。通常我们un表示第n项的值。因此,对于上述数列,我们可以说u1=1,u2=3,u3=5,……。
定义或者表示一个数列通常有三种方式。
▎直接列举
例1:1,3,5,7,9;
例2:u1=1,u2=3,u3=5,u4=7,u5=9。
例3:
n (position) | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
un (value) | 1 | 3 | 5 | 7 | 9 |
通项公式general formula
如果un可以用n的表达式写出,则这个表达式称为数列的通项公式。利用通项公式,我们就可以根据项的位置,求出项的值。
例4:
递推公式recursive formula/recurrence relation
如果数列的相邻项(un和un+1)之间有某种有规律的联系,可以用递推式来定义数列。
例5:一个数列用以下两个式子定义,
不难看出,上述例4-5定义的数列是等价的,并且它们的前5项和例1-3是相同的。
▎数列的前n项和(the sum of the first n terms)
很多时候,我们不仅关心数列的第n项(the nth term, un)是什么,还关心数列的前n项和(the sum of the first n terms)。
前n项和,通常记为Sn,定义为
最常见的两种数列
▎等差数列(arithmetic sequence)
等差数列理解起来很简单,数列中后一项减去前一项的差值是相等的,这样的一列数就是等差数列。相邻两项的差为常数的数列称为等差数列,这个常数称为公差(common difference)。比如1,3,5,7,9就是个等差数列,它的公差为2。
这里还解释了一下算数平均值,arithmetic mean的实际意义。落在两个数中间的那个数,就是算数平均值,实际上,等差数列中连续的三个项,中间的项都是另外的两个项的平均值。
我们用a表示等差数列的首项,d表示公差,则有
等比数列(geometric sequence)
等比数列的定义也是很简单,后一项比上前一项的值是相等的,这个比值叫做公比。相邻两项的比为常数(不能为0)的数列称为等比数列,这个常数称为公比(common ratio)。比如,1,2,4,8,16就是个等比数列,它的公比为2.
同样此处也可以介绍几何平均值,geometric mean,理解起来了很简单,就是连续的三个等比(几何)数列中的项,中间的项就是两边的项的几何平均值,中间项的平方等于两边项的乘积。这个知识点一般不会考到,大家知道就行了。
我们用a表示等差数列的首项,r表示公差,则有
有的同学会问了,你说的这些东西我也知道,可它与函数和微积分能扯上什么关系?关系可大了。我们先关注最明显的关联,只看通项公式。
我们直接给出结论
数列是从自然数集(set of natural number)到任意数集的映射(函数),也就是说,它的实质就是定义域(domain)为自然数的函数。
等差数列对应于一次函数(linear function)
等比数列对应于指数函数(exponentials)
如果你觉得不明显的话,提示一下——我们只需把un写成u(n),就明白了。如果还不清楚,请把n替换为x,把u替换为f。