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公比を 1 と比べるだけで決まる等比数列 r^n の収束と発散

公比が なら と増え、 なら と縮み、 なら を繰り返します。

初項が何であっても、行き先は公比 だけで決まる。 の範囲を 4 つに分ければ、 の振る舞いはすべて言い切れます[1]

公比 の範囲
に発散
に収束
に収束
振動して発散

境目は の 2 点です。 は収束の側に含まれ、 は含まれません。

なら に落ちる

は明らかなので とします。 なので )と置ける。

ベルヌーイの不等式 を使います[2]

逆数をとると です。右辺は を大きくすればいくらでも小さくなる。

どんな幅を決めても、 がその逆数を超える番号が必ずあります。実数のアルキメデス性がそれを保証します[2]

したがって 、つまり となります。符号が交互に変わっても、絶対値が潰れるので結論は同じ。

なら上へ抜ける

)と置けば、同じ不等式から が出ます。

はどんな壁も越えるので、 も越える。 のようにわずかに を超えるだけでも同じです。

。はじめは動きが鈍く、途中から一気に伸びます。

は行き先を言えない

では と 2 つの値を往復します。どちらにも落ち着かないので収束しません。

なら で、符号が入れ替わりながら絶対値が伸びる。 とも とも書けません。

絶対値は のまま。値が 2 つのあいだを往復する

符号が入れ替わりながら絶対値が伸びる。どちらの無限大にも決まらない

が負なら、必ずこの形になります。振動して発散、と呼びます。

例:初項が付いた形

初項 、公比 の等比数列は です[3] に無関係な定数なので、極限の外へ出せます。

なら初項が何であっても なら の符号によって に分かれます。

なら です。

例:底の違う 2 つの比

を求めます。大きいほうの で分子と分母を割る。

が効いています。公比の大小を見て、大きいほうで割るのが手順。

例:公比が文字のとき

は、 の範囲で答えが変わります。場合分けが要る形の代表です。

なら で、極限は

なら です。 では分子と分母を で割ると

では が振動するので、極限は存在しません。

答えが 、なしと 4 通りに割れます。 の値を 1 つ決めるまで、式の値は 1 つに決まりません。

公比が文字のままの問題では、 の大小で場合を分けてから計算に入ります

は別扱い。境目を範囲に押しこむと、そこだけ答えが合わなくなる。

例: を掛けても に勝てない

のとき です。 が伸びても、 の縮み方のほうが速い。

と置き、二項定理の第 3 項だけを残します。

これを使うと となり、右辺が に向かいます。

で試すと、。いったん増えてから落ちます。

例:収束する範囲を決める

数列 が収束する の範囲を求めます。公比が の等比数列です。

収束の条件は 。左は等号なし、右は等号ありです。

では で収束、 では になって振動します。等号の付け方がそのまま答えを変える。

半減期は公比 の等比数列

放射性炭素は 5730 年ごとに半分になります[4] 年後の残量は、初期量に を掛けた値。

なので に向かいます。ただしどの でも にはならない。

グラムから始めて グラムまで減るのに約 19000 年かかります[4]。半分になる時間が一定、という性質が等比数列の形を生んでいます。

なら、何を掛けても最後は に落ちる。
なら、どんな壁も越えて発散する。
は定数列で、値が動かない。
は符号が交互に変わり、行き先を言えない。

公比の絶対値を と比べる。この一手で、あとは境目の等号を確かめるだけになります。

数列 の極限はいくつですか。

  • 振動して発散する
__RESULT__

なので です。定数 を掛けても のまま。符号が交互に変わっても、絶対値が へ落ちるので収束します。

境目の扱いも確かめます。

数列 が収束する の範囲はどれですか。

__RESULT__

公比は で、条件は です。各辺から を引いて で割ると になります。 では公比が で収束、 では公比が で振動します。

公比を と比べる。それだけで の話は終わり、残りは場合分けを丁寧に書く作業になります。

参考文献

*Sequences*. Calculus Volume 2, OpenStax.
Claus Michael Ringel. *Folgen und Reihen*. Leitfaden Funktionen, Universität Bielefeld.
Geometric progression. Encyclopedia of Mathematics.
*Exponential Growth and Decay*. Calculus Volume 1, OpenStax.
$r = 2$ なら $2, 4, 8$ と伸び、$r = 0.5$ なら $0.5, 0.25$ と縮み、$r = -1$ なら $-1$ と $1$ を往復します。初項が何であっても、行き先は公比だけで決まる。$\frac{1}{|r|} = 1+h$ と置いてベルヌーイの不等式を当てると $|r^{n}| \leq \frac{1}{1+nh}$ が出て、$0$ への収束が確定します。$\frac{2^{n}-3^{n}}{2^{n}+3^{n}}$、公比が文字の $\frac{r^{n}}{1+r^{n}}$ の場合分け、$n r^{n} \to 0$ の証明、$\{(x-1)^{n}\}$ が収束する $x$ の範囲、放射性炭素の半減期まで並べました。