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arithmetische Reihe

aus AufEinWort, der freien Forschung

Arithmetische Reihen sind spezielle mathematische Reihen. Eine arithmetische Reihe entsteht durch die Summierung einer arithmetischen Folge.[1] Arithmetische Reihen sind üblicherweise divergent (außer im Spezialfall einer konstanten Folge). Es interessieren deshalb vor allem die Reihenglieder (d. h. die Partialsummen), die auch als endliche arithmetische Reihen bezeichnet werden.

Definition

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Ist a1,a2,a3,… eine arithmetische Folge, so ist die Folge der Partialsummen s1,s2,s3,… mit

sn=∑i=1nai=a1+a2+⋯+an

eine arithmetische Reihe.

Berechnung

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Für die Glieder einer arithmetischen Folge a1,a2,a3,… gilt die explizite Formel ai=a1+(i−1)d. Durch Einsetzen in den Summenausdruck erhält man

sn=∑i=1n(a1+(i−1)d).

Hieraus lassen sich verschiedene geschlossene Formeln für sn gewinnen:

  • Bei Kenntnis von a1 und d lässt sich sn berechnen als
sn=na1+n(n−1)2d.[A 1]
  • Bei Kenntnis von a1 und an lässt sich sn berechnen als
sn=n⋅a1+an2.[A 2]

Die letzte Formel lässt sich besonders leicht merken: Die Summe einer endlichen arithmetischen Folge ist die Anzahl der Glieder multipliziert mit dem arithmetischen Mittel des ersten und des letzten Gliedes.

Formal beweisen lassen sich die beiden Formeln mithilfe der Methode der vollständigen Induktion.

Spezielle Summen

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Für die Summe der ersten n natürlichen Zahlen (a1=1,d=1) gilt die Gaußsche Summenformel

∑k=1nk=1+2+3+⋯+n=n(n+1)2

und für die Summe der ersten n ungeraden natürlichen Zahlen (a1=1,d=2) gilt

∑k=1n(2k−1)=1+3+5+7+⋯+(2n−1)=n⋅1+2n−12=n2 .

Arithmetische Reihen höherer Ordnung

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Die Definition einer arithmetischen Reihe lässt sich mithilfe von arithmetischen Folgen höherer Ordnung verallgemeinern. Eine Reihe heißt demnach arithmetische Reihe höherer Ordnung, wenn sie durch Summierung einer arithmetischen Folge höherer Ordnung entsteht.[2]

Berechnung

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Formeln zur Berechnung von Gliedern arithmetischen Reihen allgemeiner Ordnung:

  • ∑i=1ni=n(n+1)2
  • ∑i=1ni2=n(n+1)(2n+1)6
  • ∑i=1ni3=(n(n+1)2)2

Im allgemeinen Fall gilt die Faulhabersche Formel:

  • ∑i=1nip=(n+1)p+1p+1+∑k=1pBkp−k+1(pk)(n+1)p−k+1.

Dabei bezeichnet Bk die k-te Bernoulli-Zahl.

Siehe auch

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Anmerkungen

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  1. ↑ Diese Formel erhält man zum Beispiel, indem man ∑i=1n(a1+(i−1)d)=∑i=1na1+d∑i=1n(i−1) schreibt und auf die zweite Summe die Gaußsche Summenformel anwendet.
  2. ↑ Diese Formel erhält man aus der ersten Formel: na1+n(n−1)2d=n2(a1+a1+(n−1)d)=n⋅a1+an2.

Einzelnachweise

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  1. ↑ Walter Purkert, Alexander Herzog: Brückenkurs Mathematik für Wirtschaftswissenschaftler. 9. Auflage. Springer Gabler, Wiesbaden 2022, ISBN 978-3-658-36741-1, S. 97.
  2. ↑ Ilja Nikolajewitsch Bronschtein, Konstantin Adolfowitsch Semendjajew: Taschenbuch der Mathematik. 5. Auflage. Verlag Harri Deutsch, 2001, ISBN 3-8171-2005-2, S. 18.