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1/2 + 1/4 + 1/8 + 1/16 + ... 一個級數問題的幾何求解

級數是高等數學中的一個非常重要的概念。在數學中,一個有窮或無窮序列的和,稱為級數。

有窮級數,非常簡單,因為是有窮的,用小學學習的加法運算,就可以求出。比如6, 60, 600,這個序列的級數是666。

比較難的是無窮級數,最典型的級數是等差級數(又叫算術級數)和等比級數(又叫幾何級數)。

比如:1,2,3,4,5,... 是一個等差級數。

比如:1,2,4,8,16,... 是一個等比級數。其中,公比為2。

比如:1/2,1/4,1/8,1/16,1/32,... 也是一個等比級數。其中,公比為 1/2。

對於無窮級數,有一個很重要的概念,就是級數的斂散性。也就是一個無窮級數是發散的,還是收斂的。

所謂的收斂,就是存在一個「界」,這無窮項的和,肯定超不過這個「界」;如果不存在這個「界」,就稱這個級數是發散的。

比如,1,2,3,4,5,... 是一個發散級數;

比如:1,2,4,8,16,... 是一個發散級數;

但是,1/2,1/4,1/8,1/16,1/32,... 是一個收斂級數。這個級數的「界」是1。也就是這串數字按照這樣的趨勢繼續下去,無窮項的和,一定是小於1的。無論如何,都超不過1這個「界」。

通過定義,大家也能想到了,由於我們是在考慮無窮項的和的問題,所以嚴格地使用數學語言,我們要想證明這個「界」,需要使用「極限」的概念。

實際上,極限是大家在本科學習高等數學所接觸的第一個概念,是微分,積分,這一套數學工具的根基,是初等數學和高等數學的重要分水嶺。

不過,在這篇文章中,我將使用幾何的方式,證明1/2,1/4,1/8,1/16,1/32,... 這個序列的和,一定不會超過1這個「界」:)



其實非常簡單。首先,我們把每一個數字想成是一個矩形的面積。那麼我們可以先畫一個邊長為1的正方形。它的面積就是1。

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下面,我們將看到,這個面積為1的正方形,可以盛放面積為1/2,1/4,1/8,1/16,1/32,...的矩形,無數多個!:)

首先,我們放一個面積為1/2的矩形,非常簡單,將這個正方形一分為2,一半的面積就是1/2。

1/2 + 1/4 + 1/8 + 1/16 + ... 一個級數問題的幾何求解

然後,我們再放一個面積為1/4的矩形,將剩下的1/2再一分為2,其中一半的面積,就是1/2的1/2,即1/4。

1/2 + 1/4 + 1/8 + 1/16 + ... 一個級數問題的幾何求解

相信聰明的同學們都已經會了。我們再放一個面積為1/8的矩形,只需要將剩下1/4面積再一分為2,其中的一半面積,就是1/4的1/2,即1/8。

1/2 + 1/4 + 1/8 + 1/16 + ... 一個級數問題的幾何求解

這個過程可以一直下去。我們再放一個1/16的矩形:

1/2 + 1/4 + 1/8 + 1/16 + ... 一個級數問題的幾何求解

再放一個1/32的矩形......

1/2 + 1/4 + 1/8 + 1/16 + ... 一個級數問題的幾何求解

可以看出來,1/2,1/4,1/8,1/16,1/32,... 這個數列的每一個數所表示的矩陣,可以無窮無盡地放到這個大小為1的正方形中。

所以,1/2,1/4,1/8,1/16,1/32,... 這個級數是收斂的,結果為1:)

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