对于一些天才式的人物,在注意力十分集中的情况下,对于等差、等比这两种常见数列,不难通过给定的首项、末项和公差或公比,看出其间的项数.然而对于我等天资平庸的鼠辈而言,则是不能幻想的.因此需要一套比较严谨的工具来帮助我们计算这个问题.为此我研究了如下的计数方法.
【定义1】对于一个数列${a_n}$,从$n$到$n \pm 1$那一项,称为1步.推而广之,取合理的$k \in \mathbb{N}$,则从$n$到$n\pm k$那一项,称为$k$步.其中,“合理的”$k$是指使得$n \pm k \in \mathbb{N}$成立的$k$.
【例1】$a_3$和$a_6$之间有3步.$\square$
【定义2】对于等差数列,其公差$d$称为步长.
如果我们想要求出项数,关键问题在于求出步数.
对于等差数列,现在的问题是,怎样通过给定的两项和公差,求出步数$k$.设给定的两项分别为$a_m$和$a_n$,步长即公差为$d$.若$d \neq 0$,注意到
$$k=|\frac{a_m-a_n}{d}|. $$
这个公式是对称的,使用时不需要关注首项和末项的区分问题.
【例2】已知某个等差数列的首项是2,末项是8,公差为2,求其总共的项数.
解:记$a_m=8$,$a_n=2$,步长即公差$d=2$.首先算出两项之间的步数
$$k=|\frac{a_m-a_n}{d}|=|\frac{8-2}{2}|=3. $$
于是项数
$$|m-n|+1=k+1=3+1=4. \square$$
接下来我们可以用类似的方式得出等比数列的计数方法.
【定义3】对于等比数列,其公比$q$称为步比.
注意到对于等比数列,给定两项$a_m$和$a_n$,步比即公比为$q$.若$|q|>0$且$|q| \neq 1$,注意到
$$k=|\log_{|q|}|\frac{a_m}{a_n}||. $$
对于等比数列,其公式中$\displaystyle q^n$是我们关心的幂.这里$\displaystyle \frac{a_m}{a_n}$,先把幂以外的因子除掉,剩余幂或幂的倒数.然后以步比或步比的倒数对其取对数,得到指数,即步数.
这个公式也是对称的.
其项数
$$|m-n|+1=k+1. $$
这里不给出例子了.