Matematiikassa sarja on äärettömän lukujonon termien yhteenlasku. [1] Sarjateoria on tärkeä analyysin osa-alue, ja se kehittyi differentiaali- ja integraalilaskennan rinnalla 1600-luvun lopulta lähtien.
Sarjan summa
Sarjan summa määritellään sarjan äärellisten osasummien muodostaman lukujonon raja-arvona. Mikäli summa on olemassa, sarja on suppeneva.
- Esimerkki
- Voidaan päätellä, että
![{\displaystyle 0{,}3+0{,}03+0{,}003+...=0{,}333...={\frac {1}{3}}.}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/a7d94d23734a4fbdcef46c1830f37be91497dac4)
- Tämän sarjan osasummien jonolla
![{\displaystyle (0{,}3;0{,}3+0{,}03;0{,}3+0{,}03+0{,}003;...)=(0{,}3;0{,}33;0{,}333;...)\!}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/9eb43a090998b75dc2896a1c96b6a67800138bf6)
- on raja-arvo
![{\displaystyle {\frac {1}{3}}.}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/46a1748cd394e01a4e430495b12fab7860ea1bfd)
- Esimerkki
- Otetaan esimerkiksi yhden metrin pituinen lanka. Puolitetaan se ja näin saaduista
- identtisistä palasista puolitetaan taas toinen. Prosessia jatketaan äärettömiin.
- Näin on todettu, että
![{\displaystyle 1={1 \over 2}+{1 \over 4}+{1 \over 8}+{1 \over 16}+...}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/6edf72f5efe6ce61d8695c6686f15365bd186a14)
Sarjan
osasummia ovat
![{\displaystyle S_{1}=a_{1}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/7ba5c7cf6169d04288c432732bf9bbde5c58929a)
![{\displaystyle S_{2}=a_{1}+a_{2}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/adfb1a2b2e04ea5a1f914c0ca28cceb586c980ad)
![{\displaystyle S_{3}=a_{1}+a_{2}+a_{3}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/06dc04aeaebd86208013d272ee07d26670c141f0)
![{\displaystyle ...}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/d00f2f395950e3698a46501d1e9aae8e8defa145)
![{\displaystyle S_{n}=a_{1}+a_{2}+a_{3}+...+a_{n}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/5c4962bc5a004bfca044d77279fa5f9c9138aae0)
Jos osasummien jonolle on olemassa raja-arvo, sarjan summa on
- Jos raja-arvo on olemassa eli jos sarjan summa voidaan määrittää, sarja suppenee.
- Jos raja-arvoa ei ole eikä sarjan summaa voida määrittää, sarja hajaantuu.
Aritmeettinen ja geometrinen sarja
Sarja
on aritmeettinen, jos lukujono
on muotoa
eli jos kahden peräkkäisen termin erotus on vakio
.
Sarja
on geometrinen, jos lukujono
on muotoa
eli jos kahden peräkkäisen termin suhde on vakio
.
Kaavoja ja sääntöjä
- Sarja
hajaantuu, jos
tai
ei ole olemassa.
- Vuorotteleva sarja
eli sarja, jonka joka toinen termi on positiivinen, joka toinen negatiivinen, suppenee jos ja vain jos ![{\displaystyle \lim _{k\to \infty }a_{k}=0}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/3fe0da0b3702ecdd164dbbe9144997cee1d537ce)
- Aliharmoninen sarja
hajaantuu. - Harmoninen sarja
hajaantuu. - Yliharmoninen sarja
suppenee. - Geometrinen sarja
suppenee, kun
tai
. - Tällöin
![{\displaystyle \sum _{k=1}^{\infty }a_{1}q^{k-1}={\frac {a_{1}}{1-q}}.}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/40b8fc5f986307404f9620257faf1c8b73095260)
Esimerkkejä
Määritetään sarjan
summa.
Osasumma ![{\displaystyle S_{n}=\sum _{k=0}^{n}{\frac {9}{2^{k}}}=9\sum _{k=0}^{n}\left({\frac {1}{2}}\right)^{k}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/5bd6debf57f72b600465a282930ca85eac19fac2)
Summa on geometrinen summa;
, termejä
.
.
Sarjakehitelmä
Monista funktioista voidaan muodostaa sarjamuotoinen esitystapa, sarjakehitelmä, jonka avulla funktion arvoja voidaan approksimoida käytännön laskentatehtävissä. Tällöin sarjakehitelmästä otetaan vain tietty määrä alkioita mukaan. Tällaisia sarjoja ovat esimerkiksi Taylorin ja Fourier'n sarja.
Lähteet
- ↑ Thompson, Jan & Martinsson, Thomas: Matematiikan käsikirja, s. 346–347. Helsinki: Tammi, 1994. ISBN 951-31-0471-0.
Kirjallisuutta
- Thompson, Jan & Martinsson, Thomas: Matematiikan käsikirja. Helsinki: Tammi, 1994. ISBN 951-31-0471-0.
- Pitkäranta, Juhani: Calculus Fennicus – TKK:n 1. lukuvuoden laaja matematiikka (2000–2013) (pdf) Helsinki: Avoimet oppimateriaalit ry. ISBN 978-952-7010-12-9 ISBN 978-952-7010-6 (pdf).