Una progresión aritmética es una sucesión de números, tales que cada uno de ellos (salvo el primero) es igual al anterior más un número fijo llamado diferencia o distancia que se representa por \(d\).
Ejemplo: Dada la sucesión \(\left\{a_n\right\}=\ 4,\ 9,\ 14,\ 19,\ 24,\ldots\) se pude ver que \(a_5-a_4=a_4-a_3=a_3-a_2=a_2-a_1=5\) es decir existe una diferencia o distancia constante, para cualesquiera dos términos consecutivos ordenados de manera descendente, igual a cinco, es decir,
\(~~~~~~~~~~24-19=19-14=14-9=9-4=5\)
y por tanto, la sucesión es una progresión aritmética.
Término general de una progresión aritmética.
Dado que una progresión aritmética es una sucesión \(\left\{a_n\right\}=\ a_1,~a_2,~a_3,~a_4,~\ldots a_n\) donde existe una distancia o diferencia, la cual es una constante \(d\) se tiene lo siguiente:
\begin{align}
&a_1=\ a_1\\
&a_2=\ a_1+d\\
&a_3=a_2+d=\ a_1+2d\\
&a_4=a_3+d= a_1+3d\\
&~~~~~~\vdots\\
&a_n=a_1+(n-1)d\end{align}
Se pude ver que cada término es igual al primer término, más tantas veces la distancia o diferencia, como términos le preceden, lo cual permite deducir que para \(n\) igual a cualquier número natural,
$$a_n=\ a_1+\ (n-1)d$$
La cual es la expresión del término general en una progresión aritmética, en función del primer término y la distancia.
De la expresión anterior se pueden deducir fórmulas útiles en la resolución de situaciones dónde se pide hallar \(a_1,~n\) o la distancia \(d\) mediante el simple despeje matemático de la expresión, como puede observarse a continuación:
\begin{align}
&a_1=a_n-(n-1)d\\
&n=\frac{a_n-a_1}{d}+1\\
&d=\frac{a_n-a_1}{n-1}\end{align}
Si no se conoce el valor que ocupa el primer término de la progresión, pero si el valor de un término de posición \(k\), análogamente se pude decir que el término general será $$a_n=\ a_k+(n-k)d$$ que es una expresión alternativa para resolver algunos problemas, note que solo se ha cambiado el número uno por \(k\) en el término general \(\ a_n\).
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Interpolación de \(n\) términos en una progresión aritmética.
Interpolar medios diferenciales o aritméticos entre dos números, es construir una progresión aritmética que tenga por extremos los números dados.
Sean los extremos \(a\) y \(b\), y el número de medios \(m\) a interpolar, entonces la distancia o diferencia \(d\) de la nueva progresión está dada por la expresión:
$$d=\frac{b-a}{m+1}~~~~~~~(*)$$
Si se despeja la distancia en la expresión \(a_n=a_1+\left(n-1\right)d\) se tiene:
$$d=\frac{a_n-a_1}{n-1}~~~~~~~(**)$$
de donde igualando ambas expresiones,
$$\frac{b-a}{m+1}=\frac{a_n-a_1}{n-1}$$
Ejemplo 1. Interpolar tres medios aritméticos entre 5 y 15. Solución: se pide construir la progresión aritmética \(\left\{a_n\right\}=5,a_2,a_3,a_4,15\) así que calculando la distancia \(d\) para \(m=3\) se tiene,
\begin{align}
&d=\frac{b-a}{m+1}=\frac{15-5}{3+1}=\frac{5}{2}\\
&\{a_n\}=5,\frac{15}{2}, 10, \frac{25}{2},15\end{align}
La cual también puede escribirse en forma decimal como: $$\left\{a_n\right\}=5,~7.5,~10,~12.5,~15.$$
Ejemplo 2.
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Suma de \(n\) términos.
Suma de términos equidistantes.
Sean \(a_2\) y \(a_{n-1}\) dos términos equidistantes de los extremos en la progresión aritmética \(\left\{a_n\right\}=\ a_1,~a_2,~a_3,~a_4,\ldots,~a_{n-1},~a_n\) entonces se cumple que, la suma de términos equidistantes a los extremos, es igual a la suma de los extremos, es decir, dada
\(\left\{a_n\right\}=\ a_1,a_2,a_3,\ldots a_{n-2},\ a_{n-1},a_n\) se cumple que:
$$a_2+a_{n-1}=a_3+a_{n-2}= \ldots=a_1+a_n$$
Ejemplo. Dada la progresion \(\left\{a_n\right\}=5,\ 10,\ 15,\ 20,\ 25,\ 30\) note que:
\begin{align}
&a_1+a_n=a_2+a_{n-1}=a_3+a_{n-2}\ldots\\
&5+30=10+25=15+20=35\end{align}
Suma de \(n\) términos consecutivos.
Para una progresión aritmética \(\left\{a_n\right\}=\ a_1,~a_2,~a_3,~a_4,~\ldots~a_n\) se ha visto que:
\begin{align}
&a_1=a_1\\
&a_2=a_1+d\\
&a_3=a_1+2d\\
&a_4=a_1+3d\\
&~~~~~~\vdots\\
&a_n=a_1+(n-1)d\end{align}
Sumando los \(n\) términos consecutivos de estas ecuaciones se obtiene,
\(S_n=a_1+a_2+a_3+a_4+\ldots+ a_n~~~~~\) que escrita descendentemente es,
\(S_n=a_n+a_{n-1}+a_{n-2}+a_{n-3}+\ldots+a_1\)
Sumando miembro a miembro estas ecuaciones se tienen:
\(2S_n=(a_1+a_n)+ (a_2+a_{n-1})+(a_3+a_{n-2})+ \ldots\)
Donde las cantidades en los paréntesis representan sumas de términos equidistantes a los extremos y como ya se ha visto, todos estos términos son iguales a \(a_1+a_n\) y por tal razón para \(n\) términos se ha de tener \(n\) sumas \(a_1+a_n,\) de donde,
$$2S_n=n\left(a_1+a_n\right)\Longleftrightarrow S_n=\frac{n\left(a_1+a_n\right)}{2} \ \ \ \ (*)$$
que para \(a_n=\ a_1+\ \left(n-1\right)d\) se transforma en,
$$S_n=\frac{n}{2}(a_1+\ \left(n-1\right)d) \ \ \ \ (**)$$
Las cuales son las fórmulas para calcular la suma de \(n\)-términos consecutivos en una progresión aritmética. Además se puede demostrar por inducción matemática que dichas expresiones son correctas.
Ejemplo: Determinar la suma de los primeros 100 términos de la progresión: \(\left\{a_n\right\}=5,\ 10,\ 15,\ 20,\ 25,\ 30\ldots\) Solución: utilizando \(S_n=\frac{n}{2}\left[2a_1+(n-1)d\right]\) se tiene,
\begin{align}
&S_{100}=\ \frac{100}{2}\left[2\left(5\right)+\ \left(100-1\right)5\ \right]\\
&S_{100}=50(10+99(5))\\
&S_{100}=50(10+495)\\
&S_{100}=25\ 250\end{align}
Por su puesto que se puede sumar los términos sin usar fórmulas, pero sería muy tedioso hallar la suma, imagine que se pide por ejemplo la suma de los primeros 1000. ¿Sumaría uno a uno los términos?
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Ej.1
Ej.2
Ej.3
Ej.4
Ej.5
Ej.6.
Ej.7
Ej.8
Ej.9
Ej.10
Buscando un \(a_n.\) 1. Dada la progresión aritmética \(\{a_n\}=4,~9,~14,~19,~24,~\ldots\) hallar el décimo término. 2. Dada la progesión aritmética \(\{a_n\}=16,\ 33/2,\ 17,\ 35/2,\ldots \) determinar el venteavo término.
Solución 1: evaluando la expresión para el término geneal \(a_n=a_1+(n-1)d\) entonces \(a_{10}=a_1+(10-1)d,\) así que si se conocen los valores de \(a_1=14\) y la distancia \(d=9-4\) basta con sustituir.
\begin{align}
&a_{10}= a_1+(10-1)d\\
&a_{10}=4+(9)5\\
&a_{10}=4+45\\
&a_{10}=49\end{align}
Solución 2. como \(\{a_n\}=16,\ 33/2,\ 17,\ 35/2,\ldots \) de la expresión \(a_n=a_1+(n-1)d\) el venteavo término está dado por,
\begin{align}
&a_{20}=16+19\left(\frac{1}{2}\right)\\
&a_{20}=\frac{2(16)+19}{2}\\
&a_{20}=\frac{51}{2}\end{align}
Una solución no conveniente. El vigesimoquinto término de una progresión aritmética es 75 y la distancia es 5. Determinar el primer término de la progresión.
Solución 1: se pide hallar \(a_1\) de la progresión, por tanto se debe pensar en la forma estándar \(\{a_n\}= a_1,a_2,a_3,a_4,\ldots a_n\) una manera de dar solución al problema es escribir el número conocido y comenzar a restar la distancia (5) es decir:
\(a_{15}=75;~~ a_{14}=a_{15}-5=70;~~a_{13}=a_{14}-5=70-5=65\) y así sucesivamente, hasta llegar a la posición de \(a_1=5\), pero cuidado con esto, aunque la forma de encontrar la solución es muy ingeniosa si piense en el caso de que el valor conocido sea \(a_{1000}\) ¿haría la resta mil veces? Solución 2: \(a_n=a_1+(n-1)d\) para \(n=15\) y \(d=5\).
\begin{align}
&75=a_1+(15-1)5\\
&75=a_1+(14)5\\
&a_1=75-70\\
&a_1=5\end{align}
Esta es la manera recomendada de dar solución a la situación
Solución: de \(a_n=a_1+(n-1)d\) entonces \(a_9=a_1+8d\), pero el hecho es que no se tiene el valor de \(a_1\). Utilizando la expresión alternativa \(a_n=a_k+(n-k)d\) donde \(n=9;~~a_k=75;~~k=15\) y \(d=5\) se tiene que:
\begin{align}
&a_9=75+(9-15)5\\
&a_9=75+(-6)5\\
&a_9=75-30\\
&a_9=45\end{align}
Solución: de la expresión \(a_n= a_1+(n-1)d\) se obtiene,
\begin{align}
&a_9=a_1+(9-1)d\\
&45=5+(8)d\\
&d=\frac{45-5}{8}\\
&d=\frac{40}{8}=5\end{align}
Solución: de \(a_n=a_1+(n-1)d\) se tiene \(a_{1000}=a_1+999d\) el hecho está, en que no se conocen \(a_1\) ni \(d\). De los datos de ejercicio se tienen \(a_{14}=67\) y \(a_{22}=107\) de dónde se puede escribir:
$$a_{14}=a_1+(14-1)d~~~{\rm y}~~~a_{22}=a_1+(22-1)d.$$
Sustituyendo \(a_{14}~~{\rm y}~~a_{22}\) por sus valores se forma el sistema:
$$\left\{\begin{array}aa_1+ 13d=67~~~~~~~~~(1)\\a_1+ 21d=107~~~~~~~(2)\end{array}\right.$$
Resolviendo por reducción se tiene:
$$\begin{matrix}-a_1-13d=-67~~\\~\underline{a_1+ 21d=107}\\~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~8d=40 \Longrightarrow d=5 \end{matrix}$$
Sustituyendo \(d=5\) en cualquiera de las ecuaciones \((1)\) o \((2)\), se tiene que \(a_1=2\) y sustituyendo con estos valores en \(a_{1000}= a_1+999d\) se concluye que, \(a_{1000}=2+999(5)=4997\).
Sistema de ecuación. El segundo y cuarto término de una progresión aritmética suman 22, y el tercer y séptimo término suma 34. Determinar cada uno de los términos.
Solución:
$$\left\{\begin{array}1a_2+a_4=22\\a_3+a_7=34\end{array}~~ {\rm que~como~ya~se~sabe}~\left\{\begin{array}1a_2=a_1+d\\a_3=a_1+2d\\a_4=a_1+3d\\a_7=a_1+6d\end{array}\right.\right.$$
Sustituyendo estos valores en el sistema anterior se tiene un nuevo sistema:
$$\left\{\begin{array}2a_1+4d=22\\2a+8d=34\end{array} \Longrightarrow \left\{\begin{array}aa_1=5\\d=3\end{array}\right.\right.$$
Determinandos los valores deseados se tiene:
$$\left\{\begin{array}1a_2+a_4=22\\a_3+a_7=34\end{array} \Longrightarrow \left\{\begin{array}1a_2=a_1+d=8\\a_3=a_1+2d=11\\a_4=a_1+3d=14\\a_7=a_1+6d=23\end{array}\right.\right.$$
Sumando \(n\) términos. Determinar la suma (sin el uso de dispositivo electrónicos) de los primeros veinte términos de la progresión: \(\left\{a_n\right\}=17,~21,~25,~29,~33,~37\ldots\)
Solución: se pude calcular la suma utilizando cualquiera de las fórmulas
$$S_n=\frac{n(a_1+a_n)}{2} \ \ \ \ (*) \ \ \ \ S_n=\frac{n}{2}\left[2a_1+(n-1)d\right]\ \ \ \ (**)$$
y el resultado será el mismo, sin embargo para usar \((*)\) es necesario conocer \(a_{20}\). La manera más fácil es usando \((**)\) como sigue.
\begin{align}
&S_n=\frac{n}{2}\left[2a_1+(n-1)d\right]\\
&S_{20}=\frac{20}{2}\left(2\left(17\right)+(20-1)4\right)\\
&S_{20}=10(34+19(4))\\
&S_{20}=10(34+76)\\
&S_{20}=10(110)\\
&S_{20}=1100\end{align}
Por su puesto que se pueden sumar los términos sin usar fórmulas, pero sería muy tedioso hallar la suma, si se pide por ejemplo la suma de los primeros 1000.