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Matemática Básica Unidade 5 1 Unidade 5 Progressões aritméticas Metas Esta unidade é sobre a noção de matemática que lida com sequências de valores de variação constante. Objetivos Ao final desta unidade você deve: conhecer a noção de sequência de números reais; conhecer a noção de progressão aritmética; saber determinar os elementos de uma progressão aritmética, a razão e termos pedidos; conhecer e saber aplicar a fórmula da soma de uma progressão aritmética. Matemática Básica Unidade 5 2 Sequências Na unidade 1, vimos que muitos problemas podem ser resolvidos a partir do simples ato de contar. No processo de contagem, obtém-se uma sequência de valores, isto é, um primeiro valor, um segundo valor, um terceiro valor, etc. Na mesma unidade 1, vimos também que o conhecimento de técnicas matemáticas pode facilitar o ato de contagem. A contagem é um processo extremamente simples, mas pode se tornar cansativo, longo, espaçoso e, portanto, pode deixar de ser eficiente, ou até atraente. Assim, é interessante conhecer tipos de contagens e conhecer técnicas matemáticas que simplificam certos atos de contagem. O ato de contar produz um conjunto de valores, a1, a2, a3, etc, dispostos numa certa ordem, primeiro elemento, segundo elemento, terceiro elemento, etc. Um conjunto formado por estes valores ordenados é chamado sequência. Como um elemento da sequência é determinado pelo elemento do conjunto de valores e também pela sua ordem, chamamos os elementos de uma sequência de termo da sequência. Uma sequência pode ser finita ou infinita, dependendo da quantidade dos seus termos ser finita ou infinita. O elemento an da sequência, com n * , é chamado o n-ésimo termo da sequência, muitas vezes referido como o termo geral da sequência. Uma sequencia finita de N termos pode ser representada por (a1, a2, a3, ..., aN), onde N * . Uma sequência infinita pode ser representada por (a1, a2, a3, ..., an, ...), onde n * . Observação: Veja o detalhe da definição de uma sequência, aluno. Qual é a natureza deste conceito? Se o aluno voltar lá na definição verá que uma sequência foi estabelecida de modo bem claro como um conjunto de números reais. No entanto, a definição tem mais informações, ela fala de valores ordenados. Por exemplo, os conjuntos {1, 2, 3, 4} e {2, 1, 4, 3}, são iguais, mas formam sequências diferentes, pois os valores dos conjuntos têm uma ordenação diferente. Por isso, quando queremos fazer referência ao conjunto e à ordem de seus elementos, isto é, quando queremos fazer referência ao objeto matemático, sequência, trocamos a notação {2, 1, 4, 3} por (2, 1, 4, 3). Exemplo: O conjunto dos números inteiros positivos pares forma uma sequência infinita, (2, 4, 6, 8, ...). A expressão do n-ésimo termo desta sequência é an = 2n. Vamos testar esta fórmula para alguns termos. O primeiro termo, a1, é dado por a1 = 2.1 = 2. Matemática Básica Unidade 5 3 Está certo. O quarto termo é a4 = 2.4 = 8. Também está certo. O décimo termo é a10 = 2.10 = 20. Agora não sabemos se a resposta está certa. Precisamos, para conferir, continuar a sequência dos números pares. Para isto, basta contar de 2 em 2. Temos, então, (2, 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18, 20, 22, ...). Pela contagem, chegamos que o décimo termo é 20, ou seja, a fórmula funcionou novamente. Você percebeu a vantagem de se conhecer a fórmula para o termo geral da sequência, aluno? Podemos antecipar qualquer termo da sequência sem precisar ter o trabalho de passar por todos os termos anteriores. Por exemplo, se quisermos saber qual é o centésimo termo, não precisamos contar os cem primeiros pares, basta usar a fórmula a100 = 2.100 = 200. Nem sempre conseguimos dar uma fórmula para o termo geral de uma sequência. Inclusive, uma sequência pode ter um comportamento aleatório, de modo que seja impossível prever o próximo termo. Exemplo: Um bom exemplo de seqûencia aleatória pode ser obtido com a listagem de números sorteados em sucessivos lançamentos de dados. Se a sequência de valores obtidos depois de 5 lançamentos é (2, 3, 1, 1, 4) e se o dado, que estamos imaginando não viciado, é lançado mais uma vez, não existe meio de prever qual será o próximo valor da sequência. Exemplo: Um exemplo maravilhoso de sequência é a conhecida sequência de Fibonacci, (1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55, ...). Esta sequência pode ser usada no estudo de inúmeros fenômenos da natureza. Você consegue obter uma fórmula que determine o termo geral desta sequência? .... É possível, sim, obter uma fórmula geral (se você não conseguiu, pense mais um pouco antes de continuar a leitura). O primeiro e o segundo termos devem ser dados explicitamente, a1 = 1 e a2 = 1. A partir daí, o termo seguinte é dado pela soma dos dois termos anteriores, isto é, an = an 1 + an 2, com n 3. Leitor, verifique como esta fórmula funciona bem. Agora, existe uma limitação no uso da fórmula do termo geral desta sequência. Para se determinar o termo geral, é preciso conhecer os termos anteriores. Ou seja, não se pode prever qual será o n-ésimo termo, é preciso calcular um por um, até chegar lá. Este caso é diferente do caso dos números pares. Matemática Básica Unidade 5 4 Exemplo: Uma sequência importantíssima é a sequência dos números naturais positivos que são primos, 2, 3, 5, 7, 11, 13, 17, ... . O mais interessante nesta sequência é que não existe um fórmula para o termo geral desta sequência. Você sabia, leitor, que a senha do seu banco, e várias outras senhas, são garantidas justamente por não existir tal fórmula? Atividade 1: A representação geométrica dos números reais pode ser útil na compreensão do comportamento de algumas sequências. Veja um exemplo de representação geométrica de uma sequência. Só pelo desenho, podemos perceber que estamos falando de uma sequência com valores negativos, e que estão diminuindo constantemente. Para esta atividade, represente geometricamente cada um dos 3 primeiros exemplos de sequências desta seção. Se quiser fazer uma boa análise do terceiro exemplo, utilize folha milimetrada e marque o maior número de pontos possíveis. Aproveite e faça também a representação geométrica da sequência cujo termo geral é dado por an = (1) n , para todo n *. Responda também se esta última sequência é finita ou infinita. Atividade 2: O propósito desta atividade é analisar os possíveis comportamentos de uma sequência. a) Uma sequência pode ser limitada inferiormente e superiormente. No caso em que ela é limitada inferiormente e superiomente, diz-se simplesmente que a sequência é limitada. Para os 4 exemplos a seguir, classifique-os com relação a formarem uma sequência limitada, limitada inferiormente, limitada superiormente, ou nenhum destes casos. Note que os exemplos representam sequências infinitas. (i) (ii) (iii) an = n, para todo n * (iv) an = (1) n .n, para todo n * 0 a1 a2 a3 a4 a5 a6 an ... Matemática Básica Unidade 5 5 b) Uma sequência pode ser crescente, decrescente ou constante. Para os exemplos anteriores, classifique-os com relação a formarem uma sequência crescente, decrescente, constante, ou nenhum destes casos. Progressão aritmética O exemplo mais simples de sequência pode ser obtido quando os termos apresentam um padrão de variação que é constante. Isto significa dizer, mais precisamente, que a diferença entre termos consecutivos é sempre constante, isto é, a2 a1 = a3 a2 = a4 a3 = ... = an an 1 = ... = constante.Exemplo: O exemplo da unidade 1, sobre a temperatura do forno que diminui com o tempo, possui esta característica de variação constante. Neste exemplo, a temperatura diminui, a cada minuto que passa, 12ºC. Assim, a sequência de valores de temperaturas obtida é (200, 188, 176, 164, 152, 140, 128, 116, 104, 92, 80, 68, 56, 44, 32, 20). Leitor, verifique que a variação entre os valores é constante, igual a 12. Definição: Uma sequência é chamada progressão aritmética se a diferença entre cada termo e o termo anterior é constante. Se o número real r é a tal constante então r é chamado de razão e a sequência é chamada progressão aritmética de razão r. Exemplo: A sequência dos inteiros positivos que são pares é uma progressão aritmética. De fato, a variação dos termos desta sequência é constante igual a 2. Assim, a sequência é uma progressão aritmética de razão 2. É imediato da definição que, numa progressão aritmética, o termo geral, an, é dado por an = an 1 + r, que é equivalente a dizer que a diferença entre ele o termo anterior é r, an an 1 = r. Assim, numa progressão aritmética, basta conhecer o primeiro termo e a razão para que conheçamos todos os termos da razão. De fato, temos: a2 = a1 + r, a3 = a2 + r = a1 + 2r, a4 = a3 + r = a1 + 3r, etc. Procedendo desta maneira para cada termo, deduzimos a fórmula do termo geral de uma progressão aritmética de razão r, Matemática Básica Unidade 5 6 an = a1 + (n 1)r. Exemplo: Para a sequência dos inteiros positivos que são pares, temos que o primeiro termo é o 2 e a razão é 2. Assim, temos que o termo geral é dado pela fórmula an = 2 + (n 1)2 = 2n, que é a fórmula apresentada no exemplo desta sequência. Exemplo: Uma progressão aritmética pode ter razão negativa. Neste caso, os termos diminuem constantemente. A sequência (10, 5, 0, 5, 10, 15) é uma progressão aritmética de razão 5. Atividade 3: No desenho a seguir, encontramos a representação geométrica de duas sequências. a) Verifique, pelo desenho, que as duas sequências possuem as seguintes classificações em comum: são limitadas; são crescentes; são finitas. Você percebe algum tipo de diferença no comportamento delas? b) Suponha que exista um 7º termo para as duas sequências. Baseando-se no desenho, você arriscaria um palpite de qual seria o valor deste termo para a primeira sequência? E para a segunda? c) Para cada uma das sequências, determine a2 a1, a3 a2, a4 a3, a5 a4 e a6 a5. A 1ª sequência é uma progressão aritmética? A 2ª sequência é uma progressão aritmética? Relacione esta diferença na classificação das sequências com as representações geométricas delas. Desafio: Vimos que uma sequência é dita uma progressão geométrica se vale a relação an + 1 an = r para todo n * , onde r é um valor constante. Você é capaz de caracterizar este conceito em termos geométricos, em função da noção de distância? Atividade 4: Matemática Básica Unidade 5 7 a) A sequência representada a seguir é uma progressão aritmética? Justifique. b) A sequência representada no próximo desenho esta contida no intervalo [2, 7] e é infinita. Ela pode ser uma progressão aritmética? c) No desenho a seguir encontram-se dois termos de uma progressão aritmética representados na reta graduada. (i) Determine a3. (ii) Determine a razão da progressão. d) No desenho a seguir encontram-se dois termos de uma progressão aritmética representados na reta graduada. Determine a razão da progressão. Atividade 5: a) Verifique que a sequência de variação de temperatura do exemplo do forno que foi desligado, da unidade 1, é uma progressão aritmética. Determine a razão desta progressão. Dê a fórmula do termo geral da sequência. Utiliza a fórmula do termo geral para resolver o problema apresentado na unidade 1, isto é, para determinar quando a temperatura atingirá 20ºC. b) Utilize progressão aritmética, em vez de contagem, para resolver o problema dos palitos da unidade 1. c) (i) Considere o conjunto dos números naturais que deixam resto 0 quando divididos por 3 como uma sequência crescente. Esta sequência é uma progressão aritmética? Se sim, qual é a razão? (ii) Considere o conjunto dos números naturais que deixam resto 1 quando divididos por 3 como uma sequência crescente. Esta sequência é uma progressão aritmética? Se sim, qual é a razão? (iii) Considere o conjunto dos números naturais que deixam resto 2 quando divididos por 3 como uma sequência crescente. Esta sequência é uma progressão aritmética? Se sim, qual é a razão? d) O 10º termo de uma progressão aritmética de razão 3 é 145. Determine o 1º termo. Matemática Básica Unidade 5 8 e) O 14º termo de uma progressão aritmética é 99 e o 13º é 91. Determine o 1º termo. f) O 23º termo de uma progressão aritmética é 1046 e o 1º termo é 3. Determine a razão. g) O 12º termo é 79 e o 8º termo é 15. Determine r e a1. h) A sequência (500, 482, 464, ...) é uma progressão aritmética. Determine o primeiro termo negativo desta sequência. i) O 12º termo de uma progressão aritmética é 10 e o 16º é 25. Determine o 14º termo. Calcule a média aritmética entre 10 e 25. j) Dê uma fórmula para o termo geral de uma progressão aritmética em função do 3º termo. Soma dos n primeiros termos de uma progressão aritmética Existe uma história, com versões bastante variadas, de um garoto de cerca de 9 anos que resolveu um problema de Matemática em poucos minutos, quando a atividade tinha sido dada pelo professor para que os alunos se ocupassem dela por um longo tempo. Parece que o professor pediu para que todos os alunos da classe somassem os números de 1 a 100. E o garoto, chamado Gauss, fez isto de uma forma bastante inusitada. O método que Gauss usou foi o seguinte. Veja a sequência de números: 1 , 2 , 3 , ... , 98 , 99 , 100 Antes de começar a efetuar as somas, o garoto percebeu que 101 = 1 + 100 = 2 + 99 = 3 + 98 = ... . Assim, a soma de 100 parcelas, 1 + 2 + 3 + ... + 98 + 99 + 100, é igual a soma de 50 parcelas de 101, isto é, 1 + 2 + 3 + ... + 98 + 99 + 100 = 101 + ... + 101 (50×) = 50×101 = 5050. O aluno pode experimentar fazer a soma dos números de 1 a 100, “no braço”, para ver como é engenhosa a solução de Gauss. Ah! Gauss se tornou um dos matemáticos mais importantes da história. E sua genialidade é reconhecida por todos que estudam um pouco mais de Matemática. De fato, a solução dada por Gauss, quando ainda garoto, para fazer aquelas contas é digna de um gênio. Contudo, uma vez que se passou a conhecer esta técnica, qualquer um pode empregá-la. Esta é uma das vantagens de se estudar. Nem sempre somos capazes de ter ideias brilhantes, como algumas pessoas especiais. Mas, se estudamos e Matemática Básica Unidade 5 9 conhecemos as técnicas importantes, passamos a nos encontrar no mesmo patamar das grandes mentes. Vamos entender melhor este método de Gauss? Situação-problema: Uma pessoa começou a fazer um muro e empilhou todos os tijolos como na figura abaixo. O problema é que acabaram os tijolos. Bom, a pessoa vai ter que reorganizar os tijolos a fim de montar o muro todo da mesma altura. O muro não pode ficar muito alto, pois neste caso vai ficar com uma extensão muito pequena. Também não pode ser estender muito, pois teria que ficar bem baixo. Você tem alguma sugestão, leitor? Qual seria a altura média? Veja se o desenho abaixo está de acordo com a sua ideia. O que se fez foi redistribuir os tijolos. Uma pergunta, olhando a primeira pilha de tijolos, você sabe determinar a quantidadede tijolos existente nela? Uma maneira de fazer isto é simplesmente contar, um a um, todos os tijolos. Outra maneira é reparar que a pilha cresce de 1 em 1. Como temos 8 pilhas, temos no total 1 + 2 + 3 + 4 + 5 + 6 + 7 + 8. Agora, é só somar. Ficou um pouco mais fácil. Por outro lado, olhando a segunda pilha, que está num formato retangular, é bem mais fácil determinar o total de tijolos, basta contar a quantidade da base, 9, e contar a quantidade da altura, 4. Aí, temos como total o produto 9×4 = 36. Matemática Básica Unidade 5 10 O que tem este problema a ver com o método de Gauss? Veja o valor da base do muro pronto, 9 = 1 + 8. Veja o valor da altura, 4, que é metade das parcelas do somatório 1 + 2 + 3 + 4 + 5 + 6 + 7 + 8. Não foi isso que Gauss fez? Somou o primeiro termo com o último, o segundo com o penúltimo e assim por diante. Como o resultado é sempre o mesmo, no caso do muro é 9 e as parcelas se reduziram a metade, temos a soma reescrita como 1 + 2 + 3 + 4 + 5 + 6 + 7 + 8 = 9 + 9 + 9 + 9 = 4×9 = 36. Atividade 6: Tente adaptar o método de Gauss para determinar a quantidade de quadrados nas duas pilhas do desenho. E o que tem o método de Gauss a ver com progressões aritméticas? Agora, entra o desenvolvimento do nosso conhecimento. Gauss teve uma ideia brilhante, mas nós também temos conhecimentos e podemos tentar desenvolver a ideia dele. Considere a progressão aritmética, a1, a2 = a1 + r, a3 = a1 + 2r, ... , an 2 = a1 + (n 3)r, an 1 = a1 + (n 2)r, an = a1 + (n 1)r. Como podemos ver o somatório a1 + a2 + a3 + ... + an 2 + an 1 + an? Vamos imitar Gauss e somar a 1ª parcela com a última, a segunda com a penúltima, a 3ª com a antepenúltima e assim sucessivamente. Temos, então, a1 + an = a1 + (a1 + (n 1)r) = 2a1 + (n 1)r, a2 + an 1 = (a1 + r) + (a1 + (n 2)r) = 2a1 + (n 1)r, a3 + an 3 = (a1 + 2r) + (a1 + (n 2)r) = 2a1 + (n 1)r, e assim sucessivamente. Isto significa que podemos fazer a seguinte transformação. a1 + a2 + a3 + ... + an 2 + an 1 + an = (a1 + an) + (a1 + an) + … + (a1 + an) = 2 n (a1 + an). Matemática Básica Unidade 5 11 Você entendeu o aparecimento de 2 n na expressão, leitor? Tínhamos de início n parcelas. Depois, reagrupamos as parcelas de duas em duas, ficando com metade, 2 n . Como tínhamos 2 n parcelas repetidas, tínhamos, então, um produto. Em resumos, acabamos de deduzir a expressão para a soma dos n primeiros termos de uma progressão aritmética de razão r, que é dada pela fórmula Sn = 2 )( 1 naa n . Atividade 7: a) Determine a soma dos 20 primeiros termos da progressão aritmética (2, 6, 10, ...). b) Determine a soma dos n primeiros inteiros positivos pares. c) Resolva a atividade 6 usando a fórmula da soma de uma progressão aritmética. d) Determine a soma dos 50 primeiros termos de uma progressão aritmética na qual a6 + a45 = 160. e) Determine o número mínimo de termos da sequência ( 133, 126, 119, 112...) para que a soma dos termos seja positiva. f) Três números são expressos por x 1, 2x, x2 – x + 5 e estão em progressão aritmética, nesta ordem. Calcule sua soma. Resposta das Atividades Atividade 1: Exemplo 1: Exemplo 2: Matemática Básica Unidade 5 12 Exemplo 3: Exemplo extra: an = (1) n , para todo n *. Note que o conjunto de valores assumidos na sequência é finito, é formado por 1 e 1. Contudo, os termos são infinitos, donde a sequência é infinita. Atividade 2: a) (i) limitada inferiormente; (ii) limitada; (iii) limitada superiormente; (iv) não é limitada inferiormente nem superiormente. b) (i) crescente; (ii) decrescente; (iii) decrescente; (iv) não é nenhum dos 3 tipos Atividade 3: a) Na primeira sequência, a distância entre dois termos consecutivos é sempre constante. b) Como os termos da primeira sequência “pulam” de 3 em 3, o a7 deve ser 16. Como a 2ª sequência tem um comportamento aleatório, não dá para fazer nenhuma previsão. c) Temos a2 a1 = a3 a2 = a4 a3 = a5 a4 = a6 a5 = 3. Então, por definição, a 1ª sequência é uma progressão aritmética. Esta mesma relação com relação as diferenças dos termos da segunda sequência não se verifica. Por exemplo, a2 a1 = 2 e a3 a2 = 3. Desafio: Uma sequência é uma progressão se a distância entre dois pontos que representam geometricamente termos consecutivos é constante. Atividade 4: Matemática Básica Unidade 5 13 a) Não, pois a sequênia não é crescente nem decrescente nem constante (toda progressão aritmética tem uma destas classificaçãoes). Pode-se ver também que diferença entre dois termos consecutivos não é constante. b) Uma progressão aritmética não pode ser limitada, a não ser que seja constante, o que não é o caso. c) (i) a3 = 2. (ii) r = 2. d) r = 3. Atividade 5: a) Como a diferença entre cada termo da sequência de temperaturas e seu anterior é sempre constante, igual a 12, a sequência é uma progressão aritmética de razão 12. A fórumla do termo geral é, então, an = 200 12(n 1). Neste caso, para que an = 20, precisamos ter 20 = 212 12n, donde n = 16. Ou seja, depois de 15 minutos o forno atinge 20ºC. b) A sequência de palitos que formam quadrados é a progressão aritmética (4, 7, 10, 13, ...). O primeiro termo corresponde ao número de palitos para o primeiro quadrado, o segundo termo corresponde ao número de palitos para o segundo quadrado e assim sucessivamente. O problema da unidade 1 é determinar o número de palitos para fazer 17 quadrados, ou seja, o que é an quando n = 17? Temos a17 = 4 + 3.16 = 52, resultado que bate com o obtido naquela unidade. c) (i) 0, 3, 6, 9, 12, ... é uma progressão aritmética de razão 3. (ii) 1, 4, 7, 10, 13, ... é uma progressão aritmética de razão 3. (iii) 2, 5, 8, 11, 14, ... é uma progressão aritmética de razão 3. d) a10 = 145 e r = 3. Então, a10 = a1 + 3.9, donde a1 = 145 27 = 118. e) a14 = 99 e a13 = 91. Temos, então que r = 8. Com raciocínio semelhante ao item anterior, concluímos que a1 = 5. f) a23 = 1046 e a1 = 3. Então, 1046 = 3 + r.22, donde r = 22 1043 . Note que esta é uma representação fracionária irredutível. g) a12 = 79 e a8 = 15. Temos a12 = a8 + r.4, donde r = 64/4 = 16. Como a8 = a1 + r.7, segue que a1 = 15 7.16 = 97. h) Temos a1 = 500 e r = 18. Basta resolver a inequação an > 0. De fato, se 500 18(n 1) > 0 então n < 518/18 28,8. Logo, temos a28 > 0, mas a29 < 0. Para verificar se não cometemos erros, veja que a28 = 14 e a29 = 4. Em resumo, a29 é o primeiro termo negativo da sequência. i) a12 = 10 e a16 = 25. a16 a12 = 4r, donde r = 15/4 = 3,75. Daí, a14 = 10 + 2.3,75 = 17,5, valor que coincide com a média aritmética entre 10 e 25. j) an = a1 + (n 1)r e a1 = a3 2r. Logo, an = a3 2r + (n 1)r = a3 (n 3)r. Matemática Básica Unidade 5 14 Atividade 7 a) a1 = 2, r = 4. S20 = 800 2 20)782( . b) Os inteiros positivos pares formam uma progressão aritmética com a1 = 2 e r = 2. Assim, Sn = nn nn 2 2 )22( . c) O n – ésimo número triangular é dado pela soma 1 + 2 + ... + n, que é a soma dos termos da progressão aritmética, (1, 2, 3, ..., n, ...). Logo, 1 + 2 + ... + n = 22 )1( 2 nnnn , Resultado que confere com o encontrado na unidade 1. d) A soma dos 50 primeiros termos de uma progressão aritmética é dada por S50 = 2 )(50 501 aa . Por outro lado, temos a6 = a1 + 5r e a45 = a50 5r. Daí, a6 + a45 = a1 + 5r + a50 5r = a1 + a50. Voltando para S50, temosS50 = 2 )(50 501 aa = 25.(a6 + a45) = 25.160 = 4000. e) Temos uma progressão aritmética de primeiro termo 133 e razão 7. Temos que a soma dos n primeiros termos é dada por Sn = 2 7273 2 )(7266 2 )]7)1(133(133[ 22 nnnnnnn . Assim, temos que Sn > 0 7n 2 273n > 0 n(7n 273) > 0. Fazendo o estudo de sinais da inequação, obtemos que o conjunto solução da inequação é S = {n N | n < 0 ou n > 39} = {40, 41, 42,...}. Como queremos o primeiro termo que torna a soma Sn positiva, temos que o número pedido é 40. f) Se os números estão nesta ordem em progressão aritmética, a diferença entre o segundo e o primeiro, será igual à diferença entre o terceiro e o segundo. Assim, 2x – (x – 1) = x2 x+5 2x x 2 – 4x + 4 = 0 (x 2)2 = 0 x = 2. Então, os números são 1, 4 e 7 e sua soma é 12.
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