ملخص
يبني هذا الدرس العدد بوصفه الحد الأعلى الأصغر للمتتالية ، التي تنشأ من الفائدة المركبة: فيبرهن بمبرهنة ذات الحدين أن المتتالية تتزايد وأنها لا تبلغ القيمة ، ويحصر حدها الأعلى الأصغر بينها وبين المتتالية المتناقصة . ثم يبرهن أن هو أيضًا الحد الأعلى الأصغر لمجاميع مقلوبات العامليات، ويحدّ خطأ هذه المجاميع، مما يسمح بحساب بالدقة المرغوبة، ويبرهن أن عدد غير نسبي. وأخيرًا يعرّف الدالة الأسية الطبيعية، ويربطها بالرسملة المستمرة للفائدة، ويبرهن المتباينة ، التي تعني أن المستقيم يقع تحت منحنى الدالة الأسية.
أهداف التعلم
- أن يبرهن أن المتتالية متزايدة ومحدودة، وأن يعرّف العدد بوصفه حدها الأعلى الأصغر.
- أن يحسب تقريبات لـ بواسطة مجموع مقلوبات العامليات، مع حد صارم للخطأ، وأن يبرهن أن عدد غير نسبي.
- أن يربط الدالة الأسية الطبيعية بالفائدة المركبة وبرسملتها المستمرة، وأن يقارن أثر الرسملة بتواترات مختلفة.
- أن يبرهن المتباينة ويطبقها، وأن يفسرها بوصفها وضع المستقيم بالنسبة إلى منحنى .
متتالية الفائدة المركبة
يُودَع رأس مال قدره مدة سنة بفائدة سنوية قدرها مئة في المئة. فإذا دُفعت الفائدة مرة واحدة، في نهاية السنة، تضاعف رأس المال وصار . وإذا دُفعت مرتين، كل نصف سنة بنصف المعدل، فإن فائدة النصف الأول تدرّ بدورها فائدة في النصف الثاني: يُضرب رأس المال مرتين في ويصير . ومع أربع دفعات فصلية يصير ، أي أكثر بقليل من 2,44، ومع اثنتي عشرة دفعة شهرية، أكثر بقليل من 2,61. وعمومًا، إذا قُسمت السنة إلى فترات متساوية عددها ودُفع في كل منها الجزء من المعدل، فإن رأس المال يُضرب مرات عددها في ، ويصير في نهاية السنة
عندما يزداد يُضرب رأس المال مرات أكثر، لكن في عامل أقرب إلى ، وليس واضحًا أي الأثرين يغلب: فقوى كلها تساوي ، في حين أن قوى أساس ثابت أكبر من تتزايد بلا حد. تبرهن هذه الفقرة أن المتتالية تتزايد، لكن حدودها لا تبلغ القيمة ؛ وحدها الأعلى الأصغر هو العدد . وتستند البراهين إلى مبرهنة ذات الحدين من الدرس الخاص بـالتوافقيات وصيغة ذات الحدين لنيوتن، وإلى متباينة برنولي، عندما ، المبرهنة في الدرس الخاص بـمسلّمات بيانو، وإلى تمام الأعداد الحقيقية، المنصوص عليه في الدرس الخاص بـالمجموعات العددية.
تزايد المتتالية
بحسب مبرهنة ذات الحدين، مجموع حدود عددها . والحد ذو الدليل هو ، ويُكتب على أنه حاصل ضرب في عوامل موجبة عددها وكل منها أصغر من ؛ ومع الاصطلاح على أن حاصل الضرب الخالي من العوامل يساوي ، تصح هذه الكتابة أيضًا عندما و:
في هذه الكتابة لا يظهر إلا في العوامل ، التي تتزايد مع ، وفي عدد الحدود، الذي يتزايد هو أيضًا. والأثران يدفعان في الاتجاه نفسه؛ وتلك هي فكرة المبرهنة الآتية.
لكل عدد طبيعي يتحقق ، أي إن المتتالية متزايدة تمامًا.
نقارن حدًا بحد بين مفكوكي ذات الحدين لـ و. ويمثّل الرسم، عندما ، كل حد بقطعة من عمود يبدأ عند ، لأن الحدين الأولين يساويان في جميع الحالات.
البرهان
بحسب مبرهنة ذات الحدين، مع و، فإن الحد ذا الدليل من هو . ومعامل ذي الحدين حاصل ضرب عوامل عددها مقسومًا على ، ويُقسم كل عامل على واحد من عوامل المقام، وعددها ، وهي .
الخارج الأول يساوي ، وكل واحد من الخوارج الباقية هو ، حيث من إلى . وبجمع الحدود نحصل على كتابة .
الكتابة نفسها، مع مكان ، فيها حد زائد، هو الحد ذو الدليل ، وهو موجب لأن جميع عوامله موجبة.
عندما ، إذا كبر المقام صغر وكبر العامل؛ وفضلًا عن ذلك فجميع العوامل موجبة.
بحسب رتابة حاصل ضرب الأعداد الموجبة، كل حد من ذي دليل ، إن وُجد، أصغر من الحد ذي الدليل نفسه في ؛ والحدان ذوا الدليلين و يساويان في المجموعين كليهما.
وبالجمع، لا يتجاوز مجموع الحدود الأولى، وعددها ، من ، الذي ما زال ينقصه الحد الموجب ذو الدليل . ومن ثم . وفي الرسم، ترتفع حدود المتتالية.
حد أعلى
التزايد لا يكفي لكي يكون للمتتالية حد أعلى أصغر: فالأعداد الطبيعية تتزايد هي أيضًا. ويلزم حد أعلى، وللحصول عليه نقارن بمجموع مقلوبات العامليات،
الذي ينتج إذا حذفنا من كتابة جميع العوامل . ولهذه المجاميع أهمية في ذاتها، وستبرهن الفقرة اللاحقة أنها تقترب من العدد نفسه الذي يقترب منه ، وبسرعة أكبر بكثير. وقد طلبت المسألة المقترحة 5 في الدرس الخاص بالتوافقيات برهان أن ؛ والثانية من التوطئتين الآتيتين تتضمن هذا الحد، مع المتباينة الوسيطة ، التي ستُستعمل فيما بعد. أما الأولى فتقارن العامليات بقوى ، وهي التي تسمح بحدّ بمتتالية هندسية.
لكل عدد طبيعي يتحقق ، ولا تتحقق المساواة إلا إذا أو .
نستدل بالاستقراء على ، بالمبدأ الوارد في الدرس الخاص بـمسلّمات بيانو: عند الانتقال من إلى يُضرب العاملي في ، وهو لا يقل عن ، في حين أن القوة تتضاعف فقط. ويقارن الرسم، عندما يتراوح من إلى ، العاملي بالقوة في عمودين.
البرهان
الحالة الأساسية: عندما يساوي الطرفان .
فرضية الاستقراء: لنفترض أن المتباينة صحيحة لعدد طبيعي .
عاملي هو عاملي مضروبًا في ، وهو لا يقل عن ؛ ولما كانت جميع العوامل موجبة، فإن فرضية الاستقراء تعطي المتباينة لـ .
بحسب مبدأ الاستقراء الرياضي، تصح المتباينة لكل عدد طبيعي . وإذا فإن العامل لا يقل عن ، وتكون المتباينة لـ صارمة: فالمساواة تتحقق عند وعند ، وعندهما فقط.
لكل عدد طبيعي يتحقق ؛ والمتباينة الأولى صارمة عندما .
نحدّ كل حد من مفكوك بالحد المقابل له من ، وكل حد من بحد من متتالية هندسية نسبتها المشتركة . ويقارن الرسم، عندما ، الأعمدة الثلاثة على القاعدة المشتركة .
البرهان
كل عامل يقع بين و؛ ومن ثم فحاصل ضربها لا يتجاوز ، وكل حد من لا يتجاوز الحد من .
وبالجمع حيث من إلى نحصل على المتباينة الأولى. وإذا ففي الحد ذي الدليل العامل ، وتكون المتباينة صارمة.
بحسب التوطئة التي قبلها، لكل عدد طبيعي ؛ وعند أخذ مقلوبي عددين موجبين ينعكس اتجاه المتباينة.
نفصل الحد ذا الدليل ونحدّ الحدود الباقية.
المُبرَز هو مجموع حدود عددها من متتالية هندسية حدها الأول ونسبتها المشتركة ، وقد حُسب في الدرس الخاص بـالمجاميع والمتواليات.
وبربط المتباينتين نحصل على التوطئة. وفي الرسم، عندما ، يبقى العمود الهندسي على مسافة من ، والعمودان الآخران تحته.
متتالية متناقصة ترافقها
إذا رفعنا الأساس إلى أس أكبر بواحد، حصلنا على متتالية ثانية، حدودها أكبر من حدود الأولى، لأنها تُضرب في عامل أكبر من :
حدودها الأولى هي و و: إنها تنزل. وتبرهن المبرهنة الآتية ذلك في الحالة العامة؛ والفكرة دراسة خارج قسمة حدين متتاليين، والأداة متباينة برنولي.
لكل عدد طبيعي يتحقق ، أي إن المتتالية متناقصة تمامًا.
يكفي أن نبرهن أن الخارج أكبر من ، لأن الحدود موجبة. ويُظهر الرسم الحدود الأولى من المتتاليتين.
البرهان
نكتب كل أساس على شكل خارج قسمة، ونفصل عاملًا من قوة المقام، ونجمع القوتين ذواتي الأس في قوة واحدة.
بسط الأساس يزيد على المقام بمقدار ، لأن .
بحسب متباينة برنولي، مع والأس ، فإن قوة هذا الأساس لا تقل عن .
نعوّض في الخارج ونوحّد المقامات؛ والمجموع يساوي .
ننشر البسط والمقام: يزيد البسط على المقام بمقدار .
ومن ثم . وفي الرسم، تنزل الحدود بينما ترتفع ، ويبقى كل فوق كل .
العدد e
تقترب المتتاليتان إحداهما من الأخرى، لكنهما لا تتقاطعان: كل حد من الأولى أصغر من كل حد من الثانية، ولو اختلف دليلاهما.
لجميع العددين الطبيعيين و يتحقق .
نمرّ بالدليل الأكبر من الدليلين: فالمتتالية الأولى تتزايد، والثانية تتناقص، وعند كل دليل تقع الثانية فوق الأولى. ويتتبع الرسم الحالة و.
البرهان
عند الدليل نفسه ، الحد هو مضروبًا في ، وهو أكبر من ، و موجب.
ليكن أكبر العددين الطبيعيين و. ولما كان والمتتالية متزايدة، فإن حدها ذا الدليل لا يتجاوز حدها ذا الدليل .
ولما كان والمتتالية متناقصة، فإن حدها ذا الدليل لا يتجاوز حدها ذا الدليل .
وبربط المتباينات الثلاث، والوسطى منها صارمة، نحصل على التوطئة. وفي الرسم، عندما و، يكون الدليل الأكبر .
ويترتب على ذلك أن مجموعة الحدود غير خالية ومحدودة من الأعلى، بـ أو بأي . وبحسب تمام الأعداد الحقيقية، فلها حد أعلى أصغر، يُرمز إليه بالحرف .
تعريف. العدد هو الحد الأعلى الأصغر لمجموعة حدود المتتالية ، حيث عدد طبيعي.
لكل عدد طبيعي يتحقق .
نستعمل تعريف الحد الأعلى الأصغر بوصفه أصغر الحدود العليا، ورتابة المتتاليتين. ويُظهر الرسم المتتاليتين، وهما تقتربان من من جهتين متقابلتين.
البرهان
بحسب التوطئة التي قبلها، كل حد من المتتالية الأولى أصغر من كل حد من الثانية.
فكل إذن حد أعلى لمجموعة الأعداد ، والحد الأعلى الأصغر، وهو أصغر الحدود العليا، لا يتجاوز أيًا منها.
ولما كان حدًا أعلى والمتتالية متزايدة تمامًا، فإن كل حد أصغر من الحد الذي يليه، وهذا لا يتجاوز .
وبالطريقة نفسها، لما كانت المتتالية متناقصة تمامًا، فإن لا يتجاوز الحد الذي يليه، وهو أصغر من .
وبربط المتباينتين نحصل على المبرهنة: هو العدد الوحيد الذي يقع بين جميع وجميع .
وبآلة حاسبة نجد أن يتجاوز 2,7 وأن أصغر من 2,8؛ ومن ثم يقع بين 2,7 و2,8. والحصر بطيء: فالمسافة بين المتتاليتين هي ، وهي تتناقص كمقلوب .
العدد يساوي تقريبًا 2,718281828. وجده ياكوب برنولي سنة 1683 وهو يدرس الفائدة المركبة، ورمز إليه ليونهارد أويلر، الذي اكتشف كثيرًا من خواصه، بالحرف . وهو، مع ، أحد الثابتين الأساسيين في التحليل.
جارٍ تحميل المحتوى…