Geometrische Reihen
Eine geometrische Reihe ist eine mathematische Reihe, bei der jeder Summand das Produkt des vorherigen Summanden mit einem konstanten Faktor ist. Lerne den Unterschied zwischen konvergenten und divergenten Reihen und wie du den Grenzwert berechnest. Interessiert? Erfahre mehr im folgenden Text!
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Lerntext zum Thema Geometrische Reihen
Geometrische Reihen – Erklärung
Eine geometrische Reihe ist eine mathematische Reihe mit der allgemeinen Form:
$s_k = \sum\limits_{k = 0}^{\infty} a \cdot q^{k}$
Was ist eine mathematische Reihe?
Eine mathematische Reihe ist eine Summe, die aus unendlich vielen Summanden besteht.
$s_k = a_{0} + a_{1} + a_{2} + a_{3} + a_{4} + a_{5} +$ …
Statt unendlich viele Summanden hintereinanderzuschreiben, wird das Summenzeichen $\sum$ verwendet.
$s_k = \sum\limits_{k = 0}^{\infty}a_{k}$
$k$ ist in diesem Fall der Laufindex der Reihe und durchläuft alle natürlichen Zahlen.
Was ist eine geometrische Reihe?
Bei einer geometrischen Reihe ist jeder Summand das Produkt des vorangegangenen Summanden mit einem konstanten Faktor $q$. $q$ ist also der Quotient bzw. das Verhältnis zwischen zwei aufeinanderfolgenden Termen der Reihe. Es gilt:
$s_k = \sum\limits_{k = 0}^{\infty} a \cdot q^{k}=a+aq+aq^{2}+aq^{3}+...$
$a$ ist hier also der erste Term und $q$ der konstante Faktor, der zu jedem folgenden Summanden multipliziert wird.
Beachte, dass sich geometrische Reihen von geometrischen Folgen unterscheiden. Eine Reihe entspricht der Aufsummierung aller Folgenglieder einer gegebenen Folge $a_k$.
Divergente und konvergente geometrische Reihen
Da eine Reihe aus allen Folgengliedern einer Folge und somit aus unendlich vielen Summanden besteht, könnte man davon ausgehen, dass eine entsprechende Summe immer unendlich groß wird. Das ist aber tatsächlich nicht so. Eine geometrische Reihe kann divergent (d. h., ihr Wert ist unendlich bzw. strebt nicht gegen einen Grenzwert) oder konvergent (d. h., ihr Wert ist endlich bzw. strebt gegen einen Grenzwert) sein, abhängig davon, ob ein Grenzwert existiert.
Ein Grenzwert ($\lim$) ist ein Zahlenwert, dem z. B. eine geometrische Reihe für beliebig große $k$ entgegenstreben kann.
Was ist eine divergente geometrische Reihe?
Bei einer divergenten geometrischen Reihe gilt für $q$:
$|q| \geq 1$
Der Betrag von $q$ ist also $1$ oder größer als $1$.
Ein Beispiel für eine divergente geometrische Reihe ist:
$q = 2$, $a=1$
$s_k = \sum\limits_{k = 0}^{\infty}2^{k}$
Es gilt: $|2| \geq 1$
Daher wissen wir, dass kein Grenzwert existiert. Das wird auch deutlich, wenn wir uns die Werte der ersten Partialsummen (also die Summen bis zu einem bestimmten $k$) anschauen:
$k$ | $0$ | $1$ | $2$ | $3$ | $4$ |
---|---|---|---|---|---|
$s_k$ | $1$ | $1+2=3$ | $1+2+4=7$ | $1+2+4+8=15$ | $1+2+4+8+16=31$ |
Es wird ersichtlich, dass bereits die einzelnen Folgenglieder beliebig groß werden. Das macht anschaulich deutlich, dass der Wert der entsprechenden geometrischen Reihe nicht endlich ist und divergiert.
Was ist eine konvergente geometrische Reihe?
Bei einer konvergenten geometrischen Reihe gilt für $q$:
$|q| < 1$
Der Betrag von $q$ ist also kleiner als $1$.
Ein Beispiel für eine konvergente geometrische Reihe ist:
$q = \frac{1}{4}$, $a=1$
$s_k = \sum\limits_{k = 0}^{\infty} (\frac{1}{4})^{k}$
Es gilt: $|\frac{1}{4}| < 1$
Es existiert also ein Grenzwert, gegen den diese Reihe konvergiert. Wie wir diesen berechnen können, wird im Folgenden erläutert.
Geometrische Reihen – Grenzwert berechnen
Wenn für eine geometrische Reihe der Form $s_k = \sum\limits_{k = 0}^{\infty}a \cdot q^{k}$ das Kriterium $|q| < 1$ erfüllt ist, die Basis der zugrunde liegenden Potenz also echt kleiner als $1$ ist, gilt für den Grenzwert der Reihe:
$s_k= \sum\limits_{k = 0}^{\infty}a \cdot q^{k} = \dfrac{a}{1 - q}$
Beispiel
Den Grenzwert der unendlichen geometrische Reihe
$s_k = \sum\limits_{k = 0}^{\infty} 1 \cdot (\dfrac{1}{4})^{k}$
kannst du daher mit der gegebenen Formel
$\sum\limits_{k = 0}^{\infty}a \cdot q^{k} = \dfrac{a}{1 - q}$
berechnen (es gilt $|q| < 1$).
Setze zunächst $\frac{1}{4}$ für $q$ und $1$ für $a$ ein.
$s_k = \sum\limits_{k = 0}^{\infty} 1 \cdot (\dfrac{1}{4})^{k} = \dfrac{1}{ 1 - \frac{1}{4}}$
Fasse anschließend zusammen und löse den Bruch auf.
$\dfrac{1}{ 1 - \frac{1}{4}} = \dfrac{1}{\frac{3}{4}}=\frac{4}{3}= 1{,}\overline{3}$
Der Grenzwert der geometrischen Reihe ist $1{,}\overline{3}$. Auch das können wir uns ansatzweise veranschaulichen, wenn wir uns die ersten Partialsummen der Reihe anschauen:
$k$ | $0$ | $1$ | $2$ | $3$ |
---|---|---|---|---|
$s_k$ | $1$ | $1+\frac{1}{4}=1{,}25$ | $1+\frac{1}{4}+\frac{1}{16}=1{,}3125$ | $1+\frac{1}{4}+\frac{1}{16}+\frac{1}{64}\approx1{,}3128$ |
Man kann erkennen, dass die Folgenglieder der zugrunde liegenden geometrischen Folge beliebig klein werden (man spricht auch von einer Nullfolge) und sich die Summe dieser Folgenglieder einem bestimmten Wert annähern. Durch die Berechnung weiterer Partialsummen wird ersichtlich: Dieser liegt bei $1{,}\overline{3}$.
Geometrische Reihen – Zusammenfassung
Eine geometrische Reihe wird in ihrer allgemeinen Form wie folgt dargestellt:
$s_k = \sum\limits_{k = 0}^{\infty} a \cdot q^{k}$
$k$ durchläuft alle natürlichen Zahlen ($k\in\mathbb{N}$).
Geometrische Reihen können
- divergent sein und keinen Grenzwert haben (wenn $|q|\geq1$ gilt) oder
- konvergent sein und einen Grenzwert haben (wenn $|q|<1$ gilt).
Du kannst den Grenzwert einer konvergenten geometrischen Reihe ($|q|<1$)
mit der Formel
$s_k = \sum\limits_{k = 0}^{\infty} a \cdot q^{k} = \dfrac{a}{1 - q}$
berechnen.
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