egy Új szÁmhÁromszÖg a kutdiak.pdf · matematikának ez az ága azon ok révén, hogy az...

28
BELVÁROSI ÁLTALÁNOS ISKOLA ÉS GIMNÁZIUM BÉKÉSCSABA EGY ÚJ SZÁMHÁROMSZÖG A KOMBINATORIKÁBAN KÉSZÍTETTE: KOVÁCS BÁLINT TÉMAVEZETŐ: MÉRI KÁROLY 2012. 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0 1 1 0 1 2 1 0 1 3 2 3 0 1 4 9 8 6 0 1 5 44 45 20 10 0 1 6 265 264 135 40 15 0 1 7 1854 1855 924 315 70 21 0 1 8 14833 14832 7420 2464 630 112 28 0 1 9 133496 133497 66744 22260 5544 1134 168 36 0 1 10 1334961 1334960 667485 222480 55650 11088 1890 240 45 0 1

Upload: others

Post on 25-Dec-2019

1 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: EGY ÚJ SZÁMHÁROMSZÖG A KUTDIAK.pdf · matematikának ez az ága azon ok révén, hogy az alkalmazott matematika nélkülözhetetlen eszköze.1,2 Pl.: választásoknál a választókerületeket

BELVÁROSI ÁLTALÁNOS ISKOLA ÉS GIMNÁZIUM

BÉKÉSCSABA

EGY ÚJ SZÁMHÁROMSZÖG A

KOMBINATORIKÁBAN

KÉSZÍTETTE: KOVÁCS BÁLINT TÉMAVEZETŐ: MÉRI KÁROLY

2012.

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

0 1

1 0 1

2 1 0 1

3 2 3 0 1

4 9 8 6 0 1

5 44 45 20 10 0 1

6 265 264 135 40 15 0 1

7 1854 1855 924 315 70 21 0 1

8 14833 14832 7420 2464 630 112 28 0 1

9 133496 133497 66744 22260 5544 1134 168 36 0 1

10 1334961 1334960 667485 222480 55650 11088 1890 240 45 0 1

Page 2: EGY ÚJ SZÁMHÁROMSZÖG A KUTDIAK.pdf · matematikának ez az ága azon ok révén, hogy az alkalmazott matematika nélkülözhetetlen eszköze.1,2 Pl.: választásoknál a választókerületeket

Tartalomjegyzék

1. BEVEZETÉS ........................................................................................................................... 2

2. KOMBINATORIKA ............................................................................................................... 2

2.1. FOGALMA ......................................................................................................................... 2 2.2. FAJTÁI .............................................................................................................................. 3 2.3. A PASCAL-HÁROMSZÖG .................................................................................................... 5 2.4. A „BORÍTÉKOS PROBLÉMA” ............................................................................................... 7

3. A BORÍTÉKOS PROBLÉMA KIBŐVÍTÉSE....................................................................... 8

3.1. A HÁROMSZÖG HASZNÁLATA ............................................................................................ 8 3.2. A FELADAT FOLYTATÁSA TÖBB ELEMRE ............................................................................ 8

3.3. A n

n k 1b n b 1 SEJTÉS BEBIZONYÍTÁSA TELJES INDUKCIÓVAL ........................ 10

4. REKURZÍV SOROZATOK ................................................................................................. 14

4.1. SZÁMTANI ÉS MÉRTANI SOROZATOK ................................................................................ 14 4.2. A FIBONACCI-SOROZAT .................................................................................................. 14 4.3. ZÁRT ALAKOK KERESÉSE ................................................................................................ 15

5. ZÁRT ALAK A HÁROMSZÖGRE ..................................................................................... 18

5.1. PRÓBÁLKOZÁSOK ........................................................................................................... 18 5.2. LEONHARD EULER VÉGTELEN SOROZATA ........................................................................ 21 5.3. AZ 1/ e VÉGTELEN SOR ................................................................................................. 21

6. ÖSSZEGZÉS ......................................................................................................................... 26

FELHASZNÁLT IRODALOM ..................................................................................................... 27

Page 3: EGY ÚJ SZÁMHÁROMSZÖG A KUTDIAK.pdf · matematikának ez az ága azon ok révén, hogy az alkalmazott matematika nélkülözhetetlen eszköze.1,2 Pl.: választásoknál a választókerületeket

– 2 –

„… a matematika éppoly határtalan, mint az a tér,

amelyet túl szűknek érez törekvéseihez.”

James Joseph Sylvester

1. Bevezetés

Egyik ismerősöm rendszeresen interneten rendel könyveket. Egyik

alkalommal nem azt a könyvet kapta, amit megrendelt. A csomagon a helyes címzés

szerepelt, azonban a könyv melletti számla más névre és más címre szólt. Érthető ez

a tévedés, mivel manapság egyre többen veszik igénybe ezt a szolgáltatást.

Elgondolkoztam azon, vajon mennyi a valószínűsége annak, hogy – adott számú

vásárló esetén feltéve azt, hogy mindenki egy könyvet rendel – az összes megrendelő

megkapja az általa várt küldeményt. Ez még nem is okozott nekem fejtörést, azonban

ahogy egyre jobban beleástam magam a témába, újabb és újabb problémákkal

találkoztam.

2. Kombinatorika

2.1. Fogalma

Témánk a kombinatorika témakörébe tartozik. A kombinatorika, a

„kombinálás tudománya” rendszerint a dolgok megszámlálásával foglalkozik.

Feladata, hogy meghatározott szabály szerint előállítsa az adott véges számú elem

bizonyos csoportjait, és hogy az így előállított csoportok számát meghatározza.

Először Gottfried Wilhelm Leibniz német matematikus rendszerezte a

kombinatorikával kapcsolatos ismereteket, majd Jacob Bernoulli svájci matematikus

alkalmazta azt valószínűségszámítási problémák megoldásakor a XVII. században. A

XX. század közepén a gyakorlati alkalmazhatósága miatt nagy fejlődésnek indult a

matematikának ez az ága azon ok révén, hogy az alkalmazott matematika

nélkülözhetetlen eszköze.1,2

Pl.: választásoknál a választókerületeket úgy

kombinálni, hogy a lehető legjobb eredmény jöjjön ki; kaszinókban a legnagyobb

nyerési esélyt elérni, mint például a Black Jack-ben; vagy, hogy a német

szódolgozatban nagyobb eséllyel találjuk el a főnév névelőjét és még sorolhatnám…

1 Tóth Katalin: Sokszínű matematika 10. – 7. kiadás. – Szeged: Mozaik Kiadó, 2007. – 9. p.

2 Obádovics J. Gyula: Matematika. – 18. kiadás. – Bp.: Scolar Kiadó, 1994. – 223. p.

Page 4: EGY ÚJ SZÁMHÁROMSZÖG A KUTDIAK.pdf · matematikának ez az ága azon ok révén, hogy az alkalmazott matematika nélkülözhetetlen eszköze.1,2 Pl.: választásoknál a választókerületeket

– 3 –

2.2. Fajtái

A kombinatorikában alapvetően három csoportot különítünk el: a

permutációt, a variációt és a kombinációt.

Ha n számú elemet minden lehetséges sorrendben elrendezünk, akkor a

kombinatorika nyelvén azt mondjuk, hogy az illető elemeket permutáljuk; az egyes

elrendezéseket pedig az elemek permutációjának nevezzük. Ha az elemek

különbözők, akkor ismétlés nélküli, ha az elemek között egyenlők is vannak, akkor

ismétléses permutációról beszélünk. N különböző elem permutációinak számát a

!nPn (n ) képlettel határozzuk meg, ahol n! 1 2 3 ... n . Pl.: Van 6

különböző színű ceruzánk. Hányféleképpen állíthatjuk őket sorba? Megoldás: Mivel

a sorrend számít és 6 ceruzából 6-ot választunk ki, ezért ismétlés nélküli permutáció.

Tehát a megoldás 6! 720 féleképpen állíthatjuk őket sorba.

Ha n elem között r féle különböző elem szerepel úgy, hogy az egymással

megegyező elemek száma 1 2 3 rk ,k ,k ,...,k , akkor az ismétléses permutációk száma:

1 2 r(k ,k ,...,k )

n

1 2 r

n!P

k ! k ! ... k !

, ahol 1 2 rk k ... k n és 1 2 r(n,k ,k ,...,k ) . Pl.:

Van 7 muskátlink, közülük 3 fehér és 4 piros. Hányféleképpen állíthatjuk sorba őket?

Megoldás: Mivel a sorrend számít és 7 muskátliból 7-et választunk ki, de vannak

közöttük ismétlődő elemek, ezért ismétléses permutáció. Tehát a megoldás 7!

353! 4!

féleképpen állíthatjuk őket sorba.

Ha n különböző elem közül minden lehetséges módon kiválasztunk k elemet,

s ezek összes permutációját képezzük, akkor megkapjuk n elem k-ad osztályú

variációit. Ezeknek száma: n,k

n!V n(n 1)(n 2)(n 3) n (k 1)

(n k)!

és

(n,k ,k n) . Pl.: Úszóversenyen 8 úszó hányféleképpen lehet dobogós?

Megoldás: mivel a sorrend számít és csak 3 úszó lesz dobogós ezért variáció. Az első

helyre 8, a második helyre 7, a harmadik helyre 6 úszó futhat be. Tehát

8!8 7 6 336

(8 3)!

féleképpen lehetnek az úszók dobogósok.

Ha n elem k-ad osztályú variációinak képzésekor megengedjük, hogy

ugyanaz az elem akárhányszor (de legfeljebb k-szor) szerepeljen, akkor k-ad osztályú

ismétléses variációkról beszélünk. Ezeknek a száma: i k

n,kV n . Pl.: 3 db

Page 5: EGY ÚJ SZÁMHÁROMSZÖG A KUTDIAK.pdf · matematikának ez az ága azon ok révén, hogy az alkalmazott matematika nélkülözhetetlen eszköze.1,2 Pl.: választásoknál a választókerületeket

– 4 –

dobókockával dobunk egymás után. Hányféle háromjegyű számot kaphatunk?

Megoldás: Mivel a sorrend számít és egy dobókockához több érték is tartozhat, de

lehetnek ismétlődő számok, ezért ismétléses variáció. Tehát a megoldás 36 216 féle

háromjegyű számot kaphatunk.

Ha n különböző elem közül minden lehetséges módon kiválasztunk k )( nk

elemet, de nem permutáljuk az egyes elrendezés elemeit, mert az elemek sorrendjére

nem vagyunk tekintettel, akkor n elem k-ad osztályú kombinációit kapjuk:

n,k

n,k

nV n(n 1)(n 2)(n 3) n (k 1) n!C

kk! k! k!(n k)!

.

Pl.: Lottósorsolásnál hányféle 5-ös sorsolás jöhet ki, ha 90 számból húznak?

Megoldás: mivel a sorrend nem számít és nem minden elemet választunk ki, ezért

ismétlés nélküli kombináció. Tehát a megoldás 90 90!

439492685 5! 85!

féle

sorsolás lehetséges.

Ha n elem k-ad osztályú kombinációinak képzésénél megengedjük, hogy

ugyanaz az elem akárhányszor (de legfeljebb k-szor) szerepeljen a kombinációkban,

akkor n elem k-ad osztályú ismétléses kombinációit kapjuk. Ezeknek a száma:

i

n,k

n k 1C

k

és (n,k ) . Pl.: Van 5 nyereménykönyvünk, amelyeket 30 diák

között akarjuk kiosztani úgy, hogy egy diák több könyvet is kaphat. Hányféleképpen

oszthatjuk ki a könyveket? Megoldás: Mivel a sorrend nem számít és 30 diákból csak

5 nyerhet könyvet, de az ismétlés megengedett, ezért ismétléses kombináció. Tehát a

megoldás 30 5 1 34!

2782565 5! 29!

féleképpen oszthatjuk ki a könyveket.

3

Ezekkel már mindenki találkozott 9. osztályban. Feltevődhet a kérdés: miért

szerepel a címben „Egy új számháromszög a kombinatorikában”? Miért? Ismerünk

már egyet? Hát természetesen! Már mindenki ismer egy számháromszöget, amelyet

az ismétlés nélküli kombinációnál használunk, a Pascal-háromszöget.

3 Obádovics J. Gyula: Matematika. – 18. kiadás. – Bp.: Scolar Kiadó, 1994. – p. 223-233.

Page 6: EGY ÚJ SZÁMHÁROMSZÖG A KUTDIAK.pdf · matematikának ez az ága azon ok révén, hogy az alkalmazott matematika nélkülözhetetlen eszköze.1,2 Pl.: választásoknál a választókerületeket

– 5 –

2.3. A Pascal-háromszög

Blaise Pascal (1. kép) kiváló francia

matematikus, fizikus és filozófus. 14 éves korában a

kis Blaise az apjával együtt eljárt a Mersenne körül

csoportosult természettudományos körbe, amelyből

1666-ban kinőtt a Párizsi Tudományos Akadémia. Itt

ismerkedett meg Desargues eszméivel. Ezek hatása

alatt jelent meg 16 éves korában 1640-ben a néhány

oldalnyi Essay pour les coniques (Tanulmány a

kúpszeletekről) című első műve. Annak ellenére, hogy

ilyen tárgyú munkássága a projektív geometria

fejlődését jelentősen előrevitte, nem maradt meg ezen a területen. Ide-oda csapongva

fordult a legkülönbözőbb tárgykörök felé: számológépet szerkesztett,

hidrosztatikával foglalkozott, kidolgozta a teljes indukcióval való bizonyítás

módszerét, majd a binomiális együtthatókat foglalta a Pascal-háromszögbe (1. ábra),

mellyel úttörő szerepet töltött be a valószínűségszámításban.4

1. ábra: Pascal-háromszög

A háromszög képzési szabálya könnyen felismerhető. Az első tag adott. A

továbbiakban minden további tag az őt megelőző sorban lévő két szomszédos tag

összege. A háromszög tagjait az előző tagok hiányában egyszerűen

meghatározhatom az

n n!

k k! n k !

képlettel.

Van még egy fontos tulajdonsága ennek a számháromszögnek, ami fontos lesz

majd egy későbbi bizonyításunkhoz: a Pascal-háromszög egy sorában található

számok szimmetrikusak, kivéve azon sorokat, amelyekben páratlan tag szerepel. (2.

ábra)

4 Sain Márton: Nincs királyi út!. – Bp.: Gondolat Könyvkiadó, 1986. – p. 545-546.

1. kép: Blaise Pascal

Page 7: EGY ÚJ SZÁMHÁROMSZÖG A KUTDIAK.pdf · matematikának ez az ága azon ok révén, hogy az alkalmazott matematika nélkülözhetetlen eszköze.1,2 Pl.: választásoknál a választókerületeket

– 6 –

2. ábra: Szimmetria

Képlettel leírva az állításunk:

n n

n n n

n n

n n 1 n 1

n n

n n 2 n 2

n n

n n x n x

Bizonyítás:

n n

n n x n x

n! n!

n x ! n n x !n n x ! n n n x !

n! n!

x! n x ! n x ! x!

0 0

Azonosságot kaptunk, így bebizonyítottuk állításunkat.

Page 8: EGY ÚJ SZÁMHÁROMSZÖG A KUTDIAK.pdf · matematikának ez az ága azon ok révén, hogy az alkalmazott matematika nélkülözhetetlen eszköze.1,2 Pl.: választásoknál a választókerületeket

– 7 –

2.4. A „borítékos probléma”

Ha valaki foglalkozott kombinatorikával, az tudhatja, hogy egy feladatban

nem csak tisztán permutáció, variáció és kombináció lehetséges, hanem léteznek

kevert feladatok. Nézzünk meg egy ilyen feladatot, amellyel az alábbiakban még

foglalkozni fogunk!

A FELADAT: Egy titkárnő megírt 3 levelet és megcímzett 3 borítékot azoknak,

akiknek a levelek szóltak.

a) Hányféleképpen teheti bele a borítékokba a leveleket?

b) Hányféleképpen lehet úgy belerakni a leveleket a borítékokba, hogy pontosan

egy, kettő, három, illetve semelyik levél se kerüljön a helyére?

Megoldás:

a) A borítékolás 3! 3 2 1 6 féleképpen lehetséges, mivel a sorrend számít és

nincs ismétlés.

b) Ha azt szeretnénk, hogy csak egy levél kerüljön a helyére, akkor azt a levelet

33

1

féleképpen választhatjuk ki, a többi 2 levelet úgy kell rendezni, hogy egyik

se kerüljön a helyére. Ha kiválasztjuk az 1-es levelet, akkor látható, hogy 1 lehetőség

van, amikor a többi levél nincs a helyén. Hasonlóan a másik két levélnél is. Tehát, ha

azt szeretnénk, hogy csak egy boríték maradjon a helyén, akkor 3

1 31

féleképpen

tehetjük ezt meg. Ha azt szeretnénk, hogy két levél kerüljön a helyére és egy legyen

rossz helyen, akkor ez nem lehetséges, mivel ha két levél a helyén van, akkor a

harmadiknak is jó helyen kell, hogy legyen. Ha azt akarjuk, hogy mind az három

levél a helyére kerüljön, az nyilvánvalóan egy lehetőség. Ha azt akarjuk, hogy egy

levél se kerüljön a helyére, akkor elkezdhetünk próbálkozni, vagy egyszerűbb az, ha

az összes lehetséges esetből kivonjuk a fent kapott eredményeket: 3! 3 0 2 -

féleképpen lehetséges. (1. táblázat, 3. ábra)

1. táblázat és 3. ábra: 3 boríték esetén a lehetséges borítékolások

1-es levél

helye

2-es levél

helye

3-as levél

helye

1. 2. 3. 1.

2. 3. 1. 2.

3. 1. 3. 2.

4. 3. 2. 1.

5. 2. 1. 3.

6. 1. 2. 3.

Page 9: EGY ÚJ SZÁMHÁROMSZÖG A KUTDIAK.pdf · matematikának ez az ága azon ok révén, hogy az alkalmazott matematika nélkülözhetetlen eszköze.1,2 Pl.: választásoknál a választókerületeket

– 8 –

3. A borítékos probléma kibővítése

3.1. A háromszög használata

Ezen logikát folytatva megnézzük 0, 1,

2 borítékra az előző feladatban feltett

kérdésekre a válaszokat, majd táblázatba

rendezzük az eredményeket (2. táblázat).

A táblázat alapján a „borítékos”

feladatokat egyszerűen meg lehetne oldani. Pl.: Ha meg akarom tudni, hogy 3 boríték

esetén hányféleképpen lehetséges az, hogy csak 1 ember kapja meg a saját levelét,

akkor az n oszlopban megkeresem az 3-as számot (mivel ez jelzi a borítékok számát)

és az m sorban a 1-es számot (mivel ez jelöli azoknak a leveleknek a számát, amik jó

helyre kerülnek). Így megtudom, hogy ez 3 féleképpen lehetséges.

3.2. A feladat folytatása több elemre

Ha folytatni akarjuk a

táblázatunkat, akkor egyre több

lehetőséget kell megvizsgálnunk. Pl.:

10 db boríték esetén már 10!

lehetőséget kellene vizsgálni. Lehet

egyszerűbben is: nézzük meg, hogyan

folytatnánk a táblázatunk 4. sorát!

Az (n=4; m=4) értéke egyértelműen egyenlő 1-gyel, mivel csak egyféleképpen

rakhatom úgy a leveleket a borítékokba, hogy mindegyik jó helyen legyen. Az (n=4;

m=3)=0 értéke is egyértelmű, hiszen ha 3 levél a helyén van, akkor a 4. levél is a

helyén kell, hogy legyen. Az (n=4; m=2) értékét úgy határozom meg, hogy

kiválasztom azt a két levelet, amelyek a helyükön legyenek: 4

62

-féleképpen. Ezt

az értéket szorzom meg azon lehetőségek számával, amikor a maradék két levél

nincs a helyén: (n=2; m=0)=1. Tehát (n=4; m=2)=6x1=6. Az (n=4; m=1) értékét úgy

határozom meg, hogy kiválasztom azt az egy levelet, amely a helyén legyen 4

41

-

féleképpen. Ezt az értéket szorzom meg azon lehetőségek számával, amikor a

maradék 3 levél nincs a helyén: (n=3; m=0)=2. Tehát (n=4; m=1)=4x2=8. Az (n=4;

2. táblázat: 3-ből 1 levél legyen a helyén

m=0 1 2 3

n=0 1

1 0 1

2 1 0 1

3 2 3 0 1

3. táblázat: Folytatás?

m=0 1 2 3 4

n=0 1

1 0 1

2 1 0 1

3 2 3 0 1

4 ? ? ? ? ?

Page 10: EGY ÚJ SZÁMHÁROMSZÖG A KUTDIAK.pdf · matematikának ez az ága azon ok révén, hogy az alkalmazott matematika nélkülözhetetlen eszköze.1,2 Pl.: választásoknál a választókerületeket

– 9 –

m=0) értékét úgy határozom meg, hogy az összes 4! lehetőségből kivonom az eddig

megkapott eredményeket: 24-1-0-6-8=9. Tehát (n=4; m=0)=9. Ezen logika alapján

folytathatjuk a táblázatot és felállíthatunk az egész háromszögünkre kiterjedő

képletet: n,m n m

na b

m

. (A nulladik oszlop értékei nb , ahol az

n,ma -nél m 0 .)

Látható, hogy az n-1-edik sor ismeretében meghatározható az n-edik sor és az is

világos, hogy n

n,m

k 0

a n!

.

Ezt az eljárást folytatva a megkapott eredményeket táblázatba foglalva

megkapunk egy számháromszöget. (4. táblázat)

4. táblázat: A számháromszög

m=0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Σ

n=0 1 0!

1 0 1 1!

2 1 0 1 2!

3 2 3 0 1 3!

4 9 8 6 0 1 4!

5 44 45 20 10 0 1 5!

6 265 264 135 40 15 0 1 6!

7 1854 1855 924 315 70 21 0 1 7!

8 14833 14832 7420 2464 630 112 28 0 1 8!

9 133496 133497 66744 22260 5544 1134 168 36 0 1 9!

10 1334961 1334960 667485 222480 55650 11088 1890 240 45 0 1 10!

Láthatjuk, hogy az egész háromszögre kiterjedő képlet nagyon erősen függ a

nulladik oszlop elemeitől nb . De hogyan képezzük az oszlop további elemeit? A

Pascal-háromszögben minden további tag az őt megelőző sorban lévő két

szomszédos tag összege. Mi is meg tudjuk határozni a mi háromszögünk 0-adik

oszlopának további tagjait, de nem közvetlenül, hanem mint láthattuk, egy „kerülő

úton”. Adjunk meg egy olyan eljárást, ahol nem kell „kerülnünk”, ahol az előző

tagból meg tudom határozni a következő tagot.

Első ránézésre a 0. oszlopra a n

n k 1b n b 1 képlet teljesül, azonban ezt be

is kell bizonyítanunk.

Page 11: EGY ÚJ SZÁMHÁROMSZÖG A KUTDIAK.pdf · matematikának ez az ága azon ok révén, hogy az alkalmazott matematika nélkülözhetetlen eszköze.1,2 Pl.: választásoknál a választókerületeket

– 10 –

3.3. A n

n k 1b n b 1 sejtés bebizonyítása teljes indukcióval

Bizonyítsuk be Blaise Pascal által megalkotott módszerrel, teljes indukcióval!

Teljes indukciós bizonyítás:

1., Próbáljuk ki az első néhány elemre, hogy egyáltalán működik-e a képlet!

1

1

2

2

3

3

4

4

5

5

b 1 1 1 0

b 2 0 1 1

b 3 1 1 2

b 4 2 1 9

b 5 9 1 44

2., Feltesszük n k -ra, hogy igaz!

k

k k 1b k b 1

3., Bizonyítjuk n k 1 -re!

k 1

k 1 kb k 1 b 1

kb -ra alkalmazzuk a kiszámítási szabályt:

k

k 1

k 1 k 1 k 2 k kk k 1

b

k 1 k 1 k 2

k 1

k kk k 1

k k k kb k 1 k! b b b b 1

1 2 k 1 k

k kb k 1 k! k 1 b k 1 b

1 2

k kk 1 b k 1 b 1

k 1 k

Most a negatív tagoknál elvégezzük a következő utasításokat!

k 1

k 1 k 1 k 2 k k

k 1 k 1 k 2

k 1

k k

k 1 k! k 1 k! k 1 k!b k 1 ! b b b 1

k k 1k

k 1

k 1

k k

! 1! k 2 ! 2! k k ! k!

k 1 k! k 1 k!b k 1 ! b b

k 1 ! 1! k 2 ! 2!

k 1 k!b1

k k1

k k ! k!1

Page 12: EGY ÚJ SZÁMHÁROMSZÖG A KUTDIAK.pdf · matematikának ez az ága azon ok révén, hogy az alkalmazott matematika nélkülözhetetlen eszköze.1,2 Pl.: választásoknál a választókerületeket

– 11 –

k 1 k 1 k 2

k 1

k k

k 1 k 1 k 2

k 1

k k

k k 1k 1 ! k 1 !

b k 1 ! b bk 1 1 ! 1! k 1 2 ! 2!

k 1 !b 1

k 1 1 !

k

11!

k k1 k 1

b k 1 ! b b1 2

k 1b 1

k1

1 1

1

Most kibővítünk minden tagot k k

1 1 tagokkal:

k k 1

1

k k k 1

k 1 k 1 k 2

b b

k 1

k k

b

k 1

k k 1 k k 1

k 1 k 1b k 1 ! b b

1 2

k 1b 1

k 1

k k 1

1

1

1

1 1 1

1 1

A k k 1

kkb b 1 indukciós feltevés miatt:

k 1 k k 1

k 1

1 0 0

k k 1

beszúrjuk

k k 1

k 1 k 1b k 1 ! b b

1 2

k 1 k 1 k 1b

1

b b 1k 1

1

1 k 1 11

k

Felbontjuk a zárójeleket:

k 1 k k 1

k 1

1 0 0

beszúrj

k k 1

k k 1

uk

k 1 kk 1 k 1b k 1 ! b b

1 2

k 1 k 1 k

11 1

1 2

k 11

k 1 1

1b b b 1

k 1 1 k 1 k 1

Csoportosítsuk át a tagokat!

k 1 k k 1 1 0

k 1

0

k k 1 k k 1k 1 k 1 k 11 1 1

1 2 k 1

k 1 k 1 k 1 k 1b k 1 ! b b b b

1 2 k 1 1 k 1

k

k 11

1b 1

Az k k 1 1 0

k 1 k 1 k 1 k 1k 1 ! b b b b

1 2 k 1 1 k 1

kifejezés a

kiszámítási szabály alapján egyenlő k 1b -gyel.

Page 13: EGY ÚJ SZÁMHÁROMSZÖG A KUTDIAK.pdf · matematikának ez az ága azon ok révén, hogy az alkalmazott matematika nélkülözhetetlen eszköze.1,2 Pl.: választásoknál a választókerületeket

– 12 –

k k 1 k k 1

k 1 k 1

k 1k 1 k 1 k 11 1 1

1 2

k 1b

k 1b 1

k 11

Akkor sikerül bebizonyítanunk a képletünket, hogyha a

k k kk 1 11 kk 1 k k1 k 1

1 1 11 2 k 1

11

11 k

kifejezés

értéke nulla.

1 1k kk 1k 1 k 1 k 1

1 1 1k 1

21

11 k k

Átrendezve a tagokat látható, hogy Pascal-háromszög egyes soraiban lévő tagok

plusz-mínusz előjellel szerepelnek és mivel felváltva plusz-mínusz előjellel adjuk

össze ezért az összegük nulla lesz.

Bizonyítás:

Ezt k páratlanra könnyen be tudjuk látni. Ekkor a Pascal-háromszög azon sorait

választjuk ki, amelyekben páros számú tag szerepel. Ekkor pont szimmetrikusan

helyezkednek el a számok (amit már egyszer bebizonyítottunk), minden számnak

szerepel a 1 -szerese, páronként összeadva 0-át adnak. (4. ábra)

4. ábra: Példa páros tagszámú sorra

5 101 010 15

k párosra: Ekkor páratlan db számunk van, nem mondhatjuk, hogy tisztán

látszik, hogy a váltakozó előjelű összeg egyenlő nullával. Azonban tudjuk, hogy a

Pascal-háromszög mindegyik eleme a következő sorban két helyre számít bele a

képzési szabály miatt. De az előjeles összegben a két hely egyikét , a másikat

előjellel számoljuk, így a tagok összeadva épp kiesnek. Az előjeles összeg tehát

minden olyan sorban nulla lesz, amelynek van megelőző sora. (Csak a 0. sornak

nincs megelőzője, ott 1 az összeg.) (5. ábra)

Page 14: EGY ÚJ SZÁMHÁROMSZÖG A KUTDIAK.pdf · matematikának ez az ága azon ok révén, hogy az alkalmazott matematika nélkülözhetetlen eszköze.1,2 Pl.: választásoknál a választókerületeket

– 13 –

5. ábra: Példa páratlan tagszámú sorra

1 5 101 5 10 10 5 1

1 15

10 5 1

6

1 1 5 5 10 10

20

10 10 5 5 1

1

1

61 05

Összegezve:

k 1 k k 1 1k 1 k 1 k 1 k 1

1 1 1 1 01 2 k k 1

Tehát igaz a 3. pont, bebizonyítottuk a képletet.

Ezt a képletet kicsit átrendezve, egy másik képletet kapunk.

n n n 1n n 1 n n 1 n 1 n 2

n 1n n 1 n 1 n 2n 1 n 2

n n 1 n 2

b b n 1 b b b n 1 b n 1 1

b b b n b n 1b b n 1 1

b n 1 b n 1 b

Azonban ezzel a képlettel nem tudjuk meghatározni (n=x; m=0) értékét, csak ha

tudjuk az előtte lévő elemeket. Ez azt eredményezi, hogy a többi oszlopban sem

tudom meghatározni az (n; m) értékét, mivel a többi oszlop a 0. oszloptól függ:

n,m n m n m

n n!a b b

m m! n m !

.

Láthattuk, hogy a Pascal-háromszögben az n

k

képlettel meghatározhatjuk

akármelyik tagot. A mi vizsgált háromszögünk is hasonló ehhez a háromszöghöz.

Keressünk rá olyan képletet, amellyel akármelyik tagját meg tudom határozni! A

következőkben egy általános képletet keresünk az új háromszögünkhöz.

Page 15: EGY ÚJ SZÁMHÁROMSZÖG A KUTDIAK.pdf · matematikának ez az ága azon ok révén, hogy az alkalmazott matematika nélkülözhetetlen eszköze.1,2 Pl.: választásoknál a választókerületeket

– 14 –

4. Rekurzív sorozatok

4.1. Számtani és mértani sorozatok

Mivel a háromszögünk többi eleme a 0. oszloptól függ, erre az oszlopra kell

valamilyen szabályosságot felismernünk. Első ránézésre valamilyen bonyolult

sorozatot alkotnak az egyes elemek. Sorozatnak nevezzük a pozitív egész számok

halmazán értelmezett számértékű függvényt. Ezen belül megkülönböztetünk két

alapvető csoportot: számtani és mértani sorozatot. Számtani sorozatnak nevezzük az

olyan sorozatot, amelyben az egymás után következő bármely két szomszédos tag

különbsége állandó: 1 1 1a ,a d,a 2d, A sorozat n-edik tagja: n 1a a (n 1) d A

sorozat első n tagjának összege: 1 nn

a aS n

2

.

5 Mértani sorozatnak nevezzük azt a

sorozatot, amelyben bármely két szomszédos tag hányadosa állandó: 2

1 1 1a ,a q,a q ,

A sorozat n-edik tagja: n 1

n 1a a q . A sorozat első n tagjának összege:

n

n 1

q 1S a

q 1

.6

Léteznek viszont olyan sorozatok is, amelyek nem sorolhatóak be tisztán a

számtani vagy a mértani sorozatok közé, hanem ennek a két sorozatnak a keverékei.

A számtani és mértani sorozat definíciójának mintájára megadott sorozatokat

rekurzív sorozatoknak hívjuk. Példa rá egy szerte a világon ismert sorozat: a

Fibonacci-sorozat.

4.2. A Fibonacci-sorozat

Fibonacci, Bonacci fia, Leonardo Pisano

(2. kép) a középkor kiemelkedő matematikusa.

Jelentős érdeme, hogy értelmezte a negatív számokat,

és elterjesztette az arab számokat Európában.

Fibonacci neve azonban egy számelméleti ötlettel vált

világhírűvé. A Fibonacci-sorozat a következő: 1, 1, 2,

3, 5, 8, 13, 21, 34, 55, 89, 144, 233, 377, 610, 987,

1597, 2584, 4181, 6765, … A képzés szabálya

könnyen felismerhető. Az első két tag adott. A

5 Bárczy Barnabás: Algebra II.. – 2. kiadás. – Bp.: Műszaki Könyvkiadó, 1965. – 110-112. p.

6 Bárczy Barnabás: Algebra II.. – 2. kiadás. – Bp.: Műszaki Könyvkiadó, 1965. – 118-120. p.

2. kép: Fibonacci

Page 16: EGY ÚJ SZÁMHÁROMSZÖG A KUTDIAK.pdf · matematikának ez az ága azon ok révén, hogy az alkalmazott matematika nélkülözhetetlen eszköze.1,2 Pl.: választásoknál a választókerületeket

– 15 –

továbbiakban minden további tag, az őt megelőző két tag összege. A sorozat

származtatásának meséje a nyulakhoz fűződik, ideje, hogy ők is színre lépjenek: Egy

gazda vásárol a piacon egy nyúlpárt, amely havonta egy-egy további új nyúlpárt fiadzik. Az

új nyúlpárok is fiadzanak havonta egy-egy újabb nyúlpárt a második hónaptól kezdve. Hány

nyúlpárja lesz a gazdának a negyedik hónapban? A megoldást jól szemlélteti a (3. kép),

amelyen látszik, hogy az egyes hónapokban a nyúlpárok száma a Fibonacci-sorozat egyes

elemei. De mi a helyzet, ha a 2011. tagját szeretném meghatározni a Fibonacci-

sorozatnak? Ekkor végig kellene számolnom 2011 db egyenletet, mire megkapnám

az eredményt. Azonban tudom, hogy a Fibonacci-sorozat egyes elemeit az

n 2 n 1 na a a rekurzív képlettel határozhatom meg. Rekurzív sorozatnak nevezünk

egy olyan sorozatot, amelynek az

egyes tagjait az előző tagok

segítségével tudjuk meghatározni. A

sorozat tagjait „visszavezető

lépésekkel”, közismert kifejezéssel

rekurzív módon adjuk meg. Erre a

sorozatra jellemző egyenlettel, az

úgynevezett zárt alakkal akármelyik

tagját meghatározhatjuk.7 ,8

,9

4.3. Zárt alakok keresése

1. módszer: a zárt alakot több fajta módon is meg lehet adni, például

függvényegyenlettel. Ilyenkor az eredeti függvény adatait használjuk egy olyan

függvényben, amivel meg tudjuk oldani a problémát, ez pedig a következő:

1 1

1 0 1 0

1( )

n nf n a a a a

.10

Ebbe a megoldó

függvénybe helyettesítjük be a Fibonacci-sorozat együtthatóit és az első két tagját:

2

1,2 1,2

(1) 0 (2) 1

( 2) ( 1) ( )

( 2) ( 1) ( )

1 1 5 1 51 0

1 2 2

f f

f n f n f n

f n a f n b f n

a

b

7 Hajnal Imre: Matematika III.. – Bp.: Nemzeti Tankönyvkiadó, 1989. – 262. p.

8 Sain Márton: Nincs királyi út!. – Bp.: Gondolat Könyvkiadó, 1986. – 450-452. p.

9 Kovács Ádám–Vámos Attila: Aranyháromszög. – Bp.: Műszaki Könyvkiadó, 2007. – 18-24 p.

10 Lajkó Károly: Függvényegyenletek feladatokban. – 2005. – 24-25. p.

3. kép: Nyulak szaporodása

Page 17: EGY ÚJ SZÁMHÁROMSZÖG A KUTDIAK.pdf · matematikának ez az ága azon ok révén, hogy az alkalmazott matematika nélkülözhetetlen eszköze.1,2 Pl.: választásoknál a választókerületeket

– 16 –

1 1

1 1

1 1 5 1 5 1 5 1 5( ) 1 0 1 0

2 2 2 21 5 1 5

2 2

1 1 5 1 5( )

2 25

n n

n n

f n

f n

2. módszer: megadhatjuk a Fibonacci-sorozat zárt alakját két mértani sorozat

összegeként is. Tegyük fel, hogy n 1

na c q . Ekkor teljesülnie kell

n 2 n 3

n n 1 n 2a a a cq cq

.

1 n n 1 n 2

n 1 n 2 n 3 n 3

2

2

1 2

n 1 n 1

n 1 n 2

a 0 a a a

a 1 c q c q c q / c q

q q 1 0

1 5 1 5q q

2 2

1 5 1 5a c ; a c

2

,

2

Kaptunk két mértani sorozatot,

amelyek közül egyik sem jó, viszont a két

megoldás lineáris kombinációja megoldása

az egyenletnek.

Az első két elemet ismerjük, és ebből meghatározhatjuk c1 és c2 értékét, azaz:

0 0

1 1 2 1 2

1 11 2

2 1 2

n 1 n 1

1 2 n

n 1

n

1 5 1 5a 0; 0 c c 0 c c

2 21 5 1 5

1 c c1 5 1 5 2 2a 1; 1 c c

2 2

1 1 1 1 5 1 1 5c ;c a

2 25 5 5 5

1 1 5 1 5a

2 25

n 1

n 1 n 1

n 1 2

1 5 1 5a c c

2 2

← karakterisztikus egyenletet kapjuk,

ennek megoldásai 1q , 2q

←ZÁRT ALAK

←ZÁRT ALAK

Page 18: EGY ÚJ SZÁMHÁROMSZÖG A KUTDIAK.pdf · matematikának ez az ága azon ok révén, hogy az alkalmazott matematika nélkülözhetetlen eszköze.1,2 Pl.: választásoknál a választókerületeket

– 17 –

3. módszer: ez egy úgynevezett generátorfüggvényes módszer. Ezzel a

módszerrel a legtöbb feladat megoldható hasonlóan a második módszerhez. Azért

érdemes használni, mert a második módszerben lehet olyan eset, amikor a

másodfokú egyenletnek csak egy gyöke van, vagy egyáltalán nincs, így csak

nehézkesen jön ki a zárt alak. A generátorfüggvényes módszerrel ilyenkor nincsen

gond, azonban nagyon hosszú a levezetése.

1 2

n n 1 n 2 n n 1 n 2

a 0 a 1

a a a a a a 0

A sorozat elemeinek felhasználásával állítsunk elő egy generátorfüggvényt a

következő módon, majd szorozzuk meg az összefüggésünket először

n 1a együtthatójával és x-szel, majd n 2a együtthatójával és x2-tel:

2 n 1

1 2 3 n

2 3

1 2 3

2 2 3 4

1 2 3

I. : f (x) a a x a x a x

II. : x f (x) a x a x a x

III. : x f (x) a x a x a x

Vonjuk ki az első függvényből a másodikat és a harmadikat!

2 2 3

1 2 1 3 2 1 4 3 2

0 0

2

I. II. III. :

f (x) x f (x) x f (x) a (a a )x (a a a ) x (a a a ) x

f (x) (1 x x ) x

2

x xf (x)

1 x x 1 5 1 51 x 1 x

2 2

Bontsuk parciális törtekre a kifejezést!

1 5 1 5 1 5 1 5

A 1 x B 1 x A B A B x2 2 2 2

f (x)1 5 1 5 1 5 1 5

1 x 1 x 1 x 1 x2 2 2 2

1

2

1 5 1 5x (A B) A B x

2 2

a A B 01 1

A ,B1 5 1 55 5a A B 1

2 2

1 1 1 1Tehát : f (x)

5 51 5 1 51 x 1 x

2 2

Alkalmazzuk a végtelen sorokra való összefüggést!

2 2 n 1 n 111 ax a x a x

1 ax

Page 19: EGY ÚJ SZÁMHÁROMSZÖG A KUTDIAK.pdf · matematikának ez az ága azon ok révén, hogy az alkalmazott matematika nélkülözhetetlen eszköze.1,2 Pl.: választásoknál a választókerületeket

– 18 –

2 n 1 2 n 1

2 n 1 2 n 11 1 5 1 5 1 5 1 5 1 5 1 5(1 x x x ) (1 x x x )

2 2 2 2 2 25

Majd megkeressük n-edik tag előtti, azaz azt a tagot, amelynek a kitevője n-1.

n 1 n 1

n

1 1 5 1 5a

2 25

5. Zárt alak a háromszögre

5.1. Próbálkozások

A háromszögünk 0. oszlopának rekurzív képlete tudjuk, hogy az

n n 1 n 2b n 1 b n 1 b egyenlet, átrendezve: n n 1 n 2b n 1 b b .

Látható, hogy csak egy n 1 -es szorzóval tér el a Fibonacci-sorozattól. Legyen

n 1 ! Próbáljunk meg zárt alakot keresni a sorozatunkra az 1. módszerrel!

2 22

1,2 1,2

1 1

1 0 1 0

2

2

(0) 1 (1) 0

( 2) ( 1) ( 1) ( 1) ( )

( 2) ( 1) ( )

( 1) 4 40

( 1) 2 2

1( )

41( )

24

n n

f f

f n n f n n f n

f n a f n b f n

a n

b n

f n a a a a

f n

2 2 24 4 4

2 2 2

Sajnos az első módszerben van egy kitétel: az és a értékében nem lehet

változó, azonban nekünk benne van az n 1 . Így is megpróbáltuk, de a képlet nem

működik.

Mértani sorozat nem lehet, hiszen az 1a 0 , a többi tag is nulla lenne. Talán két

mértani sorozat összege. Alkalmazzuk a 2. módszert!

←ZÁRT ALAK

Page 20: EGY ÚJ SZÁMHÁROMSZÖG A KUTDIAK.pdf · matematikának ez az ága azon ok révén, hogy az alkalmazott matematika nélkülözhetetlen eszköze.1,2 Pl.: választásoknál a választókerületeket

– 19 –

1 n n 1 n 2

n 1 n 2 n 3 n 3

2

2

2 2

1 2

2 2

n 1 n 2

2 2

n 1 2

1

a 0 a n 1 a n 1 a

a 1 c q n 1 c q n 1 c q / c q

q q 0

4 4q q

2 2

4 4a c ; a c

2 2

4 4a c c

2 2

a 0 c

;

;

0 02 2

1 2 1 2

2 2

1 12 2 1 2

2 1 2

4 4c 0 c c

2 2

4 41 c c

4 4 2 2a 1 c c

2 2

1 22 2

n 1 n 12 2

n 2

1 1c ;c

4 4

4 41a

2 24

Kipróbáltuk a képletet, ez sem működik. Próbáljuk meg a 3. módszerrel,

generátorfüggvénnyel megoldani!

0 1 2

n n 1 n 2 n n 1 n 2

2 n 1

1 2 3 n

2 3

1 2 3

2 2 3 4

1 2 3

a 1 a 0 a 1

a n 1 a n 1 a a n 1 a n 1 a 0

I. : f (x) a a x a x a x

II. : n 1 x f (x) n 1 a x n 1 a x n 1 a x

III. : n 1 x f (x) n 1 a x n 1 a x n 1 a x

I. n 1 II. n 1 III. :

f (x) n 1 x

2 2

1 2 1 3 2 1

0

f (x) n 1 x f (x) a (a n 1 a )x (a n 1 a n 1 a )x

Page 21: EGY ÚJ SZÁMHÁROMSZÖG A KUTDIAK.pdf · matematikának ez az ága azon ok révén, hogy az alkalmazott matematika nélkülözhetetlen eszköze.1,2 Pl.: választásoknál a választókerületeket

– 20 –

2

1 2 1

22 2

2 2 2

2 2

f (x) (1 n 1 x n 1 x ) a (a n 1 a )x

x xf (x)

1 x x 4 41 x 1 x

2 2

4 4 4A 1 x B 1 x A B

2 2f (x)

4 41 x 1 x

2 2

2

2

2 2

1

2 2

2 22

2 2

n 2

4A B x

2 2

4 1 51 x 1 x

2 2

4 4x (A B) A B x

2 2

a A B 0

A ,B4 4a A B 1 4 4

2 2

4 4a

2 24

Az előző pontban említett módszerek közül az első hárommal nem jutottunk

előre a háromszögünk 0. oszlopának zárt alakjának keresésében, egyik képlet sem

működik, de a negyedik módszerrel talán előrébb fogunk haladni ebben.

Megpróbálunk valamiféle szabályosságot felfedezni a nulladik oszlop tagjai között:

n

n 1

1

2

2

3

3

4

4

5

5

6

6

7

7

8

8

b n 1

b 1 1 1 0

b 0 2 1 1

b 1 3 1 2

b 1 3 1 4 1 9

b 1 3 1 4 1 5 1 44

b 1 3 1 4 1 5 1 6 1 265

b 1 3 1 4 1 5 1 6 1 7 1 1854

b 1 3 1 4 1 5 1 6 1 7 1 8 1 14833

Bontsuk ki a zárójeleket úgy, hogy közben ne végezzük el a műveleteket!

8

8

b 8 7 6 5 4 3 8 7 6 5 4 8 7 6 5 8 7 6 8 7 8 1 14833

8! 8! 8! 8! 8! 8! 8!b 14833

2! 3! 4! 5! 6! 7! 8!

Page 22: EGY ÚJ SZÁMHÁROMSZÖG A KUTDIAK.pdf · matematikának ez az ága azon ok révén, hogy az alkalmazott matematika nélkülözhetetlen eszköze.1,2 Pl.: választásoknál a választókerületeket

– 21 –

5.2. Leonhard Euler végtelen sorozata

Euler apja kálvinista lelkész volt, aki fiát (4.

kép) is papnak szánta. Az ifjú azonban nagy

igyekezettel látogatta Johann Bernoulli

matematikaóráit, akinek fiával is összebarátkozott.

1727-ben a szentpétervári Akadémia meghívta az

akkoriban állástalan Eulert, ahol először az élettan,

majd hamarosan a matematika és fizika tanszékén

fejthette ki páratlan tehetségét. Különösen nagy hatást

gyakorolt a matematika minden területére, a fizikára és

a mérnöki tudományokra. Annak ellenére, hogy 1766-

ban mindkét szeme világát teljesen elvesztette, munkakedve töretlen maradt.

Káprázatos memóriával és belső látással diktálta műveit. Ebben az időszakban az

Akadémia 416 munkáját fogadta el! Az a számadat, hogy Euler még nem teljes

összegyűjtött munkáinak jegyzete több mint 73 kötetből áll, amelyek mindegyike

legalább 600 oldalas, mutatják, hogy a matematika történetében példátlan az a

termékenység, amellyel Euler matematikai műveit ontotta. Ugyanakkor ezek a

művek mind tartalmukban, mind formájukban a matematikai szakirodalom remekbe

szabott kincsei. 11,12

Euler munkássága azért is fontos nekünk, mert a róla elnevezett, az

úgynevezett Euler-számot hasznosítani tudjuk. Az Euler-szám: e 2,71828... , ami

az

n1

1n

kifejezés határértéke.

5.3. Az 1/ e végtelen sor

Megfigyeltük, hogy ha folytatjuk a nulladik oszlop elemeire ezt a fajta

kibontást, akkor észrevesszük, hogy a

n

n

n! n! n! n! n! n! n! n! n! n!b ?

2! 3! 4! 5! 6! 7! 8! 9! n 1 ! n!

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1b n! ?

2! 3! 4! 5! 6! 7! 8! 9! n 1 ! n!

11

Sain Márton: Nincs királyi út!. – Bp.: Gondolat Könyvkiadó, 1986. – 694-695. p. 12

Barabási Albert-László: Behálózva. – Bp.: Helikon Kiadó, 2008. – 15-16. p.

4. kép: Leonhard Euler

Page 23: EGY ÚJ SZÁMHÁROMSZÖG A KUTDIAK.pdf · matematikának ez az ága azon ok révén, hogy az alkalmazott matematika nélkülözhetetlen eszköze.1,2 Pl.: választásoknál a választókerületeket

– 22 –

képlet teljesül rá. Ha be tudjuk látni a

nb 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

n! 2! 3! 4! 5! 6! 7! 8! 9! n 1 ! n!

végtelen sorról, hogy

korlátos és szigorú monoton, akkor biztosan konvergens, tart egy számhoz, amit a

végtelenben ér el.

Bizonyítsuk be, hogy korlátos!

n

0,375

n

negatív negatív negatív

b 1 1 1 1 1 1 1 1 1

n! 2! 3! 4! 5! 6! 7! 8! 9! 10!

b 1 1 1 1 1 10,375

n! 5! 6! 7! 8! 9! 10!

Így ezzel a csoportosítással látható, hogy a sorozat csökkenő. Csökkentsük ezt az

értéket – hagyjuk el a pozitív tagokat, és azok a tagok helyett, amelyek előtt mínusz

jel van, írjunk be még nagyobb tagokat, hogy csökkenjen az értéke!

n

n

5 7 9 11

n

n

5

n

5 5 5n

b 1 1 1 10,375 0 0 0

n! 5! 7! 9! 11!

b 1 1 1 10,375 0 0 0

n! 2 2 2 2

11

b 1 40,375

1n! 21

4

11

1 1 0 1 1 44lim 0,375 0,375 0,375

1 12 2 2 31 1

4 4

0,37

3

n

3 35 0,375 0

2 8

b0

n!

Így bebizonyítottuk, hogy korlátos.

Bizonyítsuk be, hogy szigorúan monoton!

Mivel a tagok előjele váltva plusz-mínusz, ezért két részben fogjuk vizsgálni.

Először csoportosítsuk a következő módon a sorozat elemeit:

pozitív pozitív pozitív pozitív

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1/

2! 3! 4! 5! 6! 7! 8! 9! n! n 1 !

Page 24: EGY ÚJ SZÁMHÁROMSZÖG A KUTDIAK.pdf · matematikának ez az ága azon ok révén, hogy az alkalmazott matematika nélkülözhetetlen eszköze.1,2 Pl.: választásoknál a választókerületeket

– 23 –

Ekkor a sorozat szigorú monoton növekvő.

Nézzünk meg egy másfajta csoportosítást:

negatív negatív negatív negatív

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1/

2! 3! 4! 5! 6! 7! 8! 9! 10! n! n 1 !

Ekkor a sorozat szigorúan monoton csökkenő.

Ezen két részsorozat megfelelő, egymást követő tagjai különbségeinek

nullához kell tartaniuk, hogy megbizonyosodjunk, a két sorozat nem keresztezi

egymást, vagyis konvergálnak-e valamilyen értékhez.

n

1 1 1 1 1 1 11

2! 3! 3! 4! 2! 4! 24

1 1 1 1 1 1 119

4! 5! 5! 6! 4! 6! 720

1 1 1 1 1 1

n 1 ! n! n! n 1 ! n 1 ! n 1 !

1 1lim 0 0 0

n 1 ! n 1 !

Így bebizonyítottuk, hogy a végtelen sorunk korlátos és szigorúan monoton,

tehát konvergens. De mihez tart?

Elfogadjuk, hogy

n

n

1lim 1 e

n

és ezzel együtt azt is, hogy

n

n

1 1lim 1

n e

. A binomiális tétel felhasználásával kibontjuk az

n1

1n

hatványt: 13

n 0 1 2

n n 1 n 2

n 1 n

1 0

n 0 1

n n n1 1 1 11 1 1 1

0 1 2n n n n

n n1 11 1

n 1 nn n

1 n! 1 n! 1 n!1

n n 0 ! 0! n n 1 ! 1! n n 2 ! 2!

2

n 1 n

1

n

n! 1 n! 1

n n n ! n! nn n 1 ! n 1 !

13

Urbán János: Határértékszámítás. – Bp.: Műszaki Könyvkiadó, 2000. – 99. p.

Page 25: EGY ÚJ SZÁMHÁROMSZÖG A KUTDIAK.pdf · matematikának ez az ága azon ok révén, hogy az alkalmazott matematika nélkülözhetetlen eszköze.1,2 Pl.: választásoknál a választókerületeket

– 24 –

n

2 3

n 1 n

n

2 3

n 1 n

n n 1 n n 1 n 21 n 1 1 11 1

n 1! n 2! n 3! n

n n 1 n 2 3 2 1 n! 1

n 1 ! n n! n

n n 1 n n 1 n 21 1 n 1 1 11

n 0! n 1! n 2! n 3!

n n 1 n 2 3 1 n! 1

n n 1 ! n! n

Tudjuk, hogy egy törtnek a határértéke – ha x – akkor egyenlő eggyel,

ha a nevezőben és a számlálóban is a változó legmagasabb fokszáma megegyezik.

n

2

2 2n x

nn

nlim 1

n

n n 1 n nlim lim 1

n n

n n 1 n 2 n n 1 n nlim 1

n

Így leegyszerűsödik a sorunk:

n

n

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1lim 1

n 0! 1! 2! 3! 4! 5! 6! 7! 8! 9! 1 ! !

Mivel

n

n

1 1lim 1

n e

, ezért

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

0! 1! 2! 3! 4! 5! 6! 7! 8! 9! 1 ! ! e

,

ami leegyszerűsítve: i

i 0

1 11 0,3678794...

i! e

(1. grafikon)

Page 26: EGY ÚJ SZÁMHÁROMSZÖG A KUTDIAK.pdf · matematikának ez az ága azon ok révén, hogy az alkalmazott matematika nélkülözhetetlen eszköze.1,2 Pl.: választásoknál a választókerületeket

– 25 –

.

1/e-hez való konvergálás

00,10,20,30,40,50,60,70,80,9

1

0 5 10 15 20

n

f(n)

b(n)

1/e

1. grafikon: 1/e-hez való konvergálás

Ha kibővítjük a 8b képletét, hozzáadunk nullát és kiemelünk 8!-t, akkor

pontosan az előbb említett végtelen sorozat 8!-szorosának első nyolc elemét kapjuk.

Így leegyszerűsíthetjük a sorozatunk képletét:

8

0

8

8i

8

i 0

ni i

n

i 0 i 0

n

n n m

8! 8! 8! 8! 8! 8! 8! 8! 8!b 14833

0! 1! 2! 3! 4! 5! 6! 7! 8!

1 1 1 1 1 1 1 1 1b 8! 14833

0! 1! 2! 3! 4! 5! 6! 7! 8!

1b 8! 1

i!

1 1 1b n! 1 / / 1

i! i! e

1b n!

e

n m !n!b b

e e

Ezzel a módszerrel sikerült kapnunk egy közelítő értéket a háromszögünk

nulladik oszlopára. Miért csak közelítő? Mert az i

i 0

1 11

i! e

sorozat egy

végtelen sorozat, viszont a mi képletünkben ennek a végtelen sorozatnak az első

Page 27: EGY ÚJ SZÁMHÁROMSZÖG A KUTDIAK.pdf · matematikának ez az ága azon ok révén, hogy az alkalmazott matematika nélkülözhetetlen eszköze.1,2 Pl.: választásoknál a választókerületeket

– 26 –

néhány tagját veszem igénybe. Így a nulladik oszlop képletét

n m

n m !b

e

be

tudom helyettesíteni az egész háromszögre kiterjedő képletbe n,m n m

na b

m

.

n,m

n m !na

m e

6. Összegzés

Láthattuk, hogy mennyi minden rejlik egy ilyen „kis” feladatban.

Végigjártam a kombinatorika, a függvényegyenletek és a rekurzív sorozatok

területeit, hogy eljussak a feladat legvégére. Próbáltam valamiféle hasonlóságot

keresni a Pascal-háromszög és a mi háromszögünk között, a Fibonacci-sorozat és a

háromszögünk első oszlopa között. Többfajta rekurzív sorozatnak a megoldását

nézem át, hogy ötletet merítsek a „borítékos probléma” megoldásához. A feladat

végén azonban egy közelítő értéket kaptam, de ha a nulladik oszlop zárt alakját

egészre kerekítem, akkor megkapom a pontos értéket:

n,m

egészre

n n m !a

m e

.

Próbáljuk is ki! Keressük meg 7,3a értékét, amikor 7 levélből 3 van jó helyen (5.

táblázat):

37,

egészre

!a 35 8,829 35

e3

35

7 79 1

3

5. táblázat: A számháromszög használata

m=0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Σ

n=0 1 0!

1 0 1 1!

2 1 0 1 2!

3 2 3 0 1 3!

4 9 8 6 0 1 4!

5 44 45 20 10 0 1 5!

6 265 264 135 40 15 0 1 6!

7 1854 1855 924 315 70 21 0 1 7!

8 14833 14832 7420 2464 630 112 28 0 1 8!

9 133496 133497 66744 22260 5544 1134 168 36 0 1 9!

10 1334961 1334960 667485 222480 55650 11088 1890 240 45 0 1 10!

Munkám során rengeteg tudással gyarapodtam és a matematika talán

legérdekesebb szeletét tanulmányoztam.

Page 28: EGY ÚJ SZÁMHÁROMSZÖG A KUTDIAK.pdf · matematikának ez az ága azon ok révén, hogy az alkalmazott matematika nélkülözhetetlen eszköze.1,2 Pl.: választásoknál a választókerületeket

– 27 –

Felhasznált irodalom

XXXIV. Felvidéki Magyar Matematikaverseny: IV. osztály. – Zselíz, 2010. – 1 p.

XXXV. Felvidéki Magyar Matematikaverseny: III. osztály. – Komárom, 2011. – 1 p.

XXXV. Felvidéki Magyar Matematikaverseny: IV. osztály. – Komárom, 2011. – 1 p.

[ÁDÁM András] Hány olyan permutáció van, amely adott számú elemet rögzít? /

Ádám András. – In: Középiskolai Matematikai és Fizikai Lapok – 52. évf. 5. sz.

(2002.). – Bp.: MATFUND Alapítvány – p. 265-268.

[BARABÁSI Albert-László] Behálózva / Barabási Albert-László. – 2. kiadás. – Bp.:

Helikon Kiadó, 2008. – 320 p.

[BÁRCZY Barnabás] Algebra / Bárczy Barnabás. 2. kötet – 2. kiadás. – Bp.:

Műszaki Könyvkiadó, 1965. – 223 p.

[DRÖSSER, Christoph] Csábító számok, avagy a mindennapok matematikája /

Christoph Drösser. – Bp.: Athenaeum Kiadó, 2008. – 216 p.

[HAJNAL Imre] Matematika / Hajnal Imre. 3. kötet – Bp.: Nemzeti Tankönyvkiadó,

1989. - 336 p.

[KOVÁCS Ádám] Aranyháromszög / Kovács Ádám, Vámos Attila. – Bp.: Műszaki

Könyvkiadó, 2007. – 150 p.

[LAJKÓ Károly] Függvényegyenletek feladatokban / Lajkó Károly. – Debrecen:

Debreceni Egyetem Matematikai Intézet, 2005. – 125 p.

[MÁTÉ László] Rekurzív sorozatok / Máté László. – Bp.: Tankönyvkiadó, 1980. –

125 p.

[OBÁDOVICS J. Gyula] Matematika / Obádovics J. Gyula. – 18. kiadás. – Bp.:

Scolar Kiadó, 1994. – 813 p.

[SAIN Márton] Nincs királyi út! / Sain Márton. – Bp.: Gondolat Könyvkiadó, 1986.

– 831 p.

[SOLT György] Valószínűségszámítás / Solt György. – 6. kiadás – Bp.: Műszaki

Könyvkiadó, 1993. – 265 p.

[SZERÉNYI Tibor] Analízis / Szerényi Tibor. – 3. kiadás – Bp.: Tankönyvkiadó,

1985. – 578 p.

[TÓTH Katalin] Sokszínű matematika 9. / Tóth Katalin. – 7. kiadás. – Szeged:

Mozaik Kiadó, 2007. – 255 p.

[TÓTH Katalin] Sokszínű matematika 10. / Tóth Katalin. – 7. kiadás. – Szeged:

Mozaik Kiadó, 2007. – 247 p.

[TÓTH Katalin] Sokszínű matematika 11. / Tóth Katalin. – 5. kiadás. – Szeged:

Mozaik Kiadó, 2007. – 295 p.

[TÖRÖK Judit] A Fibonacci-sorozat / Török Judit. – Bp.: Tankönyvkiadó, 1984. –

88 p.

[URBÁN János] Határértékszámítás / Urbán János. – Bp.: Műszaki Könyvkiadó,

2000. – 451 p.