En matemáticas, unha progresión xeométrica é unha sucesión de números onde cada termo despois do primeiro atópase multiplicando o anterior por un número fixo diferente de cero denominado razón. Por exemplo, a sucesión 2, 6, 18, 54, ... é unha progresión xeométrica de razón 3. Analogamente 10, 5, 2.5, 1.25, ... é unha progresión xeométrica de razón 1/2.
Exemplos de sucesións xeométricas son as potenciasrk dun número determinado r, como 2k e 3k. A forma xeral dunha sucesión xeométrica é
onde r ≠ 0 é a razón e a é o factor de escala, igual ao primeiro valor da sucesión.
O termo n-ésimo dunha progresión xeométrica con valor a e razón r vén dado por
Unha progresión xeométrica segue a relación recursiva
for every integer
En xeral, para comprobar se unha sucesión é xeométrica, abonda con comprobar se cada un dos termos consecutivos teñen a mesma razón.
A razón dunha progresión xeométrica pode ser negativa, dando lugar a unha sucesión alternada, con números positivos e negativos alternativamente. Por exemplo
1, −3, 9, −27, 81, −243, …
é unha progresión xeométrica de razón −3.
O comportamento dunha progresión xeométrica depende do valor da razón. Se esta é:
Positiva, os termos terán o mesmo signo que o inicial.
Negativa, os termos terán signos alternos.
Maior que 1, terá crecemento exponencial cara a máis ou menos infinito, dependendo do signo do primeiro termo.
1, a progresión será unha sucesión constante.
Entre -1 e 1, pero non cero, sufrirá decrecemento exponencial cara ao cero.
−1, a progresión será unha sucesión alternada.
Menor que -1, os valores absolutos dos termos crecerán exponencialmente cara ao infinito.
As progresión xeométricas (con razón diferente a −1, 1 ou 0) amosan crecemento o decrecemento exponencial, en oposición ao crecemento ou decrecemento linear dunha progresión aritmética como 4, 15, 26, 37, 48, … (con diferenza 11). Este resultado foi tomado por T.R. Malthus como fundamento matemático da súa obra Principle of Population.
Un resultado interesante das progresións xeométricas é que para cada valor da razón común, tres termos consecutivos a, b e c satisfarán a ecuación
Cálculo da suma 2 + 10 + 50 + 250. A sucesión consiste en multiplicar termo a termo por 5, e logo subtraer da sucesión orixinal. Permanencen dous termos: o primeiro termo, a, e o termo seguinte ao último, arm. O resultado desexado, 312, atópase subtraendo estes dous termos e dividindo por 1−5.
Unha serie xeométrica é a suma dos termos dunha progresión xeométrica. Por exemplo:
Se a é o primeiro termo (neste caso 2), n o número de termos (aquí 4) e r a constante pola que se multiplica cada termo para atopar o seguinte (aquí 5), a suma vén dada por:
No exemplo anterior, resulta:
A fórmula funciona para calquera números reais a e r (agás r = 1, que resulta nunha división entre cero). Por exemplo:
Obtención da fórmula
Para obter a fórmula escríbese primeiro unha serie xeométrica como:
Pódese atopar unha fórmula máis simple para a suma multiplicando ambos os membros da ecuación superior por 1 − r, e verase que
posto que todos os outros termos se cancelan. Se r ≠ 1, pódese reordenar a expresión superior para conseguir a fórmula conveniente dunha serie xeométrica que calcule a suma de n termos:
Fórmulas relacionadas
Se a suma non comezase en k=1, senón nun índice diferente m, entón
Derivando esta fórmula respecto de r pódese chegar ás fórmulas das dumas da forma
Por exemplo:
Para series xeométricas que conteñen só potencias de r multiplicadas por1 −r2:
Entón
Equivalentemente, tomando r2 como a razón e empregando a formulación estándar.
Para unha serie que só ten potencias impares de r
e
Series xeométricas infinitas
Unha serie xeométrica infinita é unha serie infinita con termos consecutivos que teñen unha razón común. Estas series converxen se e só se o valor absoluto da razón é menor que 1 (|r|<1). O valor pode ser calculado coas fórmulas
Dado que:
Entón:
Para unha serie que contén só potencias pares de ,
e se só contén potencias impares,
Nos casos nos que a suma non comeza en k = 0,
As fórmulas dadas arriba só son válidas para |r|<1. A última fórmula é válida en toda álxebra de Banach, cando a norma de r sexa menor ca 1, e tamén no corpo dos números p-ádicos |r|p<1. No caso dunha suma finita pódese diferenciar para calcular as fórmulas das sumas relativas.
Por exemplo,
Esta fórmula só funciona para |r|<1. De aquí séguese que, para |r|<1,
Tamén a serie infinita 1/2 + 1/4 + 1/8 + 1/16 + ⋯ é un exemplo elemental dunha serie que converxe absolutamente.
É unha serie xeométrica con primeiro termo igual a 1/2 e razón 1/2, logo a súa suma é
A serie 1/2 − 1/4 + 1/8 − 1/16 + ⋯ é un exemplo sinxelo dunha serie alternada que converxe absolutamente.
É unha serie xeométrica con primeiro termo e razón −1/2, polo que a súa suma é
Número complexos
A fórmula da suma de series xeométricas é válida mesmo cando a razón é un número complexo. Neste caso a condición de que o valor absoluto de r sexa menor que 1 convértese en que o módulo de r sexa menor que 1. É posible calcular as sumas dalgunhas series xeométricas non obvias. Por exemplo, considérese a proposición
A demostración procede do feito de que
que é consecuencia da fórmula de Euler. Substituíndo na serie orixinal
.
Esta é a diferenza entre dúas series xeométricas, e é unha aplicación directa da fórmula das series infinitas xeométricas que completa a demostración.
O produto dunha progresión xeométrica é o produto dos seus termos. Se todos os termos son positivos entón pode calcularse rapidamente tomando a media xeométrica do primeiro e do último termo da progresión e elevando o valor á potencia dada polo número de termos:
Heath, Thomas L. (1956). The Thirteen Books of Euclid's Elements (2nd ed. [Facsimile. Original publication: Cambridge University Press, 1925] ed.). Nova York: Dover Publications.