Descripción de la calculadora La calculadora de progresiones aritméticas trabaja con sucesiones en las que «cada término tiene la misma diferencia con el anterior»: introduce el primer término a 1 a_1 a 1 , la diferencia común d d d y el número de términos n n n y obtiene el término n-ésimo a n = a 1 + ( n − 1 ) d a_n = a_1 + (n-1)d a n = a 1 + ( n − 1 ) d y la suma de los n n n primeros términos S n = n ( a 1 + a n ) 2 S_n = \dfrac{n(a_1 + a_n)}{2} S n = 2 n ( a 1 + a n ) ; si se conoce el último término, también puede despejar el número de términos n n n o la diferencia común d d d .
1, 3, 5, 7, … (los impares), un teatro con 2 butacas más en cada fila que en la anterior, ahorrar 50 unidades más cada mes que el anterior, un entrenamiento que reduce 1.5 km cada día: siempre que el incremento sea constante estamos ante una progresión aritmética. Es la sucesión más sencilla y el punto de partida para entender la «suma acumulada»: la idea de emparejar el primer término con el último que hay detrás de la fórmula de la suma es (según la leyenda) la que se le ocurrió a Gauss con 8 años.
Lo que no hace: no trata progresiones geométricas (en las que cada término es un múltiplo fijo del anterior, como el interés compuesto), ni diferencias de segundo orden (cuando la diferencia de las diferencias es constante), ni sucesiones recurrentes como la de Fibonacci, ni enumera todos los términos: solo da el término n-ésimo y la suma total.
Ejemplos Los cuatro ejemplos se han recalculado con el método compute del motor arithmetic-seq; el criterio de presentación es de 8 decimales como máximo, sin ceros finales.
Ejemplo 1: 3, 7, 11, 15, 19, 23 — seis términos
Entradas: a 1 = 3 a_1 = 3 a 1 = 3 , d = 4 d = 4 d = 4 , n = 6 n = 6 n = 6 .
Término 6.º: a 6 = 3 + ( 6 − 1 ) × 4 = 3 + 20 = 23 a_6 = 3 + (6-1) \times 4 = 3 + 20 = 23 a 6 = 3 + ( 6 − 1 ) × 4 = 3 + 20 = 23 .
Suma: S 6 = 6 × ( 3 + 23 ) 2 = 6 × 26 2 = 78 S_6 = \dfrac{6 \times (3 + 23)}{2} = \dfrac{6 \times 26}{2} = 78 S 6 = 2 6 × ( 3 + 23 ) = 2 6 × 26 = 78 .
La interfaz muestra: término n 23 , suma 78 . Comprobación con la segunda forma: 6 × 3 + 6 × 5 2 × 4 = 18 + 60 = 78 6 \times 3 + \dfrac{6 \times 5}{2} \times 4 = 18 + 60 = 78 6 × 3 + 2 6 × 5 × 4 = 18 + 60 = 78 . Con el método de emparejar: 3 + 23 = 7 + 19 = 11 + 15 = 26 3 + 23 = 7 + 19 = 11 + 15 = 26 3 + 23 = 7 + 19 = 11 + 15 = 26 , tres pares de 26 cada uno, en total 78.
Figura 1: ejemplo 1. A la izquierda, el emparejamiento de Gauss (el primer y el último término siempre suman a₁ + aₙ); a la derecha, la versión geométrica: dos escaleras forman un rectángulo de área n(a₁ + aₙ), y la mitad es Sₙ
Ejemplo 2: entradas predeterminadas y el 1 al 100 de Gauss
Entradas: a 1 = 1 a_1 = 1 a 1 = 1 , d = 2 d = 2 d = 2 , n = 10 n = 10 n = 10 (valor predeterminado). Término 10.º = 1 + 9 × 2 = 19 = 1 + 9 \times 2 = 19 = 1 + 9 × 2 = 19 , suma = 10 × ( 1 + 19 ) / 2 = 100 = 10 \times (1 + 19) / 2 = 100 = 10 × ( 1 + 19 ) /2 = 100 . La interfaz muestra: término n 19 , suma 100 . La suma de los 10 primeros impares es exactamente 10 2 10^2 1 0 2 ; si se cambia a n = 100 n = 100 n = 100 , la interfaz muestra término n 199 y suma 10000 : la suma de los n n n primeros impares es siempre n 2 n^2 n 2 (se ve apilando capas en forma de L de números impares hasta formar un cuadrado).
Con a 1 = 1 a_1 = 1 a 1 = 1 , d = 1 d = 1 d = 1 y n = 100 n = 100 n = 100 : la interfaz muestra término n 100 y suma 5050 . Es el problema que, según la leyenda, el pequeño Gauss resolvió en un instante ante su maestro: «1 + 100 = 2 + 99 = ⋯ = 50 + 51 1 + 100 = 2 + 99 = \cdots = 50 + 51 1 + 100 = 2 + 99 = ⋯ = 50 + 51 , 50 pares de 101 cada uno».
Ejemplo 3: butacas de teatro y sucesión decreciente
Teatro : 20 butacas en la primera fila y 2 más en cada fila siguiente, 15 filas en total. Con a 1 = 20 a_1 = 20 a 1 = 20 , d = 2 d = 2 d = 2 y n = 15 n = 15 n = 15 : la última fila tiene 20 + 14 × 2 = 48 20 + 14 \times 2 = 48 20 + 14 × 2 = 48 butacas y el total es 15 × ( 20 + 48 ) / 2 = 510 15 \times (20 + 48)/2 = 510 15 × ( 20 + 48 ) /2 = 510 . La interfaz muestra: término n 48 , suma 510 .
Decreciente : un inventario de 100 kg del que cada día salen 7 kg fijos, ¿qué queda y cuánto se ha acumulado tras 12 días? Con a 1 = 100 a_1 = 100 a 1 = 100 , d = − 7 d = -7 d = − 7 y n = 12 n = 12 n = 12 : el día 12 quedan 100 − 77 = 23 100 - 77 = 23 100 − 77 = 23 y la suma de los 12 días es 12 × ( 100 + 23 ) / 2 = 738 12 \times (100 + 23)/2 = 738 12 × ( 100 + 23 ) /2 = 738 (kg·día, «inventario medio de 61.5 kg × 12 días»). La interfaz muestra: término n 23 , suma 738 . Con diferencia negativa la fórmula sigue valiendo tal cual; solo que la sucesión va bajando.
Ahorrar 50 más cada mes : 100 el primer mes y 50 más cada mes siguiente, ¿cuánto hay al cabo de un año? Con a 1 = 100 a_1 = 100 a 1 = 100 , d = 50 d = 50 d = 50 y n = 12 n = 12 n = 12 : el mes 12 se ahorran 650 y el total anual es 4500 .
Ejemplo 4: despejar el número de términos y la diferencia
Despejar n : ¿qué término de la sucesión 5, 8, 11, … es 50? Con a 1 = 5 a_1 = 5 a 1 = 5 , d = 3 d = 3 d = 3 y a n = 50 a_n = 50 a n = 50 (vacía n): n = ( 50 − 5 ) / 3 + 1 = 16 n = (50 - 5)/3 + 1 = 16 n = ( 50 − 5 ) /3 + 1 = 16 . La interfaz muestra: número de términos n 16 y suma 0 (véase el criterio del paso 3). Si se introduce 16 de vuelta en el número de términos y se vacía a n a_n a n : término n 50 y suma 440 .
Si se pregunta por 52: n = ( 52 − 5 ) / 3 + 1 = 16.66666667 n = (52 - 5)/3 + 1 = 16.66666667 n = ( 52 − 5 ) /3 + 1 = 16.66666667 , que no es entero; 52 no está en esta sucesión (el término 16 es 50 y el 17 es 53).
Despejar d : partiendo de 2, tras 8 términos se llega a 30, ¿cuál es la diferencia común? Con a 1 = 2 a_1 = 2 a 1 = 2 , n = 8 n = 8 n = 8 y a n = 30 a_n = 30 a n = 30 (vacía d): d = ( 30 − 2 ) / ( 8 − 1 ) = 4 d = (30 - 2)/(8 - 1) = 4 d = ( 30 − 2 ) / ( 8 − 1 ) = 4 . La interfaz muestra: diferencia común d 4 y suma 16 (el motor calcula aquí la suma con d = 0 d = 0 d = 0 , 8 × 2 = 16 8 \times 2 = 16 8 × 2 = 16 , que no es la suma real). Si se introduce 4 de vuelta en la diferencia y se vacía a n a_n a n : término n 30 y suma 128 .
Cuando el número de términos no es entero o la diferencia es cero
Con n = 2.5 n = 2.5 n = 2.5 el motor calcula igual (a 1 = 1 a_1 = 1 a 1 = 1 y d = 2 d = 2 d = 2 dan un término n de 4 y una suma de 6.25), pero «dos términos y medio» no significa nada; al despejar n n n con d = 0 d = 0 d = 0 hay una división entre cero y el campo del número de términos aparece vacío. En la sucesión constante con d = 0 d = 0 d = 0 todos los términos son a 1 a_1 a 1 y cualquier n n n vale.
Las entradas del ejemplo 1 pueden introducirse directamente en el panel para reproducirlo; cambia n n n de 6 a 12, 24 y 48 y observa cómo el término n-ésimo crece linealmente con n n n mientras la suma crece como n 2 n^2 n 2 (al duplicar el número de términos, la suma se multiplica aproximadamente por 4).
Fundamentos y deducción Término general: de la recursión a la fórmula directa
La definición es recursiva: a k + 1 = a k + d a_{k+1} = a_k + d a k + 1 = a k + d . Para ir de a 1 a_1 a 1 a a n a_n a n hay que sumar d d d un total de n − 1 n - 1 n − 1 veces, así que a n = a 1 + ( n − 1 ) d a_n = a_1 + (n-1)d a n = a 1 + ( n − 1 ) d . Fíjate en que es n − 1 n - 1 n − 1 y no n n n : entre 6 barras solo hay 5 intervalos (los cinco «+4» de la figura 1), que es el clásico problema de los postes: hay un término más que intervalos.
Si se toma n n n como variable independiente, a n = d ⋅ n + ( a 1 − d ) a_n = d \cdot n + (a_1 - d) a n = d ⋅ n + ( a 1 − d ) es una recta: la pendiente es la diferencia común d d d y la ordenada en el origen es a 1 − d a_1 - d a 1 − d (el «término 0»). Una progresión aritmética es una función lineal cuyo dominio son solo los enteros positivos , y las cimas de las barras de la izquierda de la figura 1, unidas, forman una recta. La pendiente calculada entre dos términos cualesquiera es la diferencia común, y la fórmula del despeje d = ( a n − a 1 ) / ( n − 1 ) d = (a_n - a_1)/(n-1) d = ( a n − a 1 ) / ( n − 1 ) es exactamente «la diferencia de ordenadas dividida entre la diferencia de abscisas».
La suma: el emparejamiento de Gauss
Escribiendo S n S_n S n una vez en orden y otra al revés, y sumando las dos:
S n = a 1 + ( a 1 + d ) + ⋯ + ( a n − d ) + a n S n = a n + ( a n − d ) + ⋯ + ( a 1 + d ) + a 1 2 S n = ( a 1 + a n ) + ( a 1 + a n ) + ⋯ + ( a 1 + a n ) = n ( a 1 + a n ) \begin{aligned}
S_n &= a_1 + (a_1 + d) + \cdots + (a_n - d) + a_n \\
S_n &= a_n + (a_n - d) + \cdots + (a_1 + d) + a_1 \\
2S_n &= (a_1 + a_n) + (a_1 + a_n) + \cdots + (a_1 + a_n) = n\,(a_1 + a_n)
\end{aligned} S n S n 2 S n = a 1 + ( a 1 + d ) + ⋯ + ( a n − d ) + a n = a n + ( a n − d ) + ⋯ + ( a 1 + d ) + a 1 = ( a 1 + a n ) + ( a 1 + a n ) + ⋯ + ( a 1 + a n ) = n ( a 1 + a n )
Cada columna suma a 1 + a n a_1 + a_n a 1 + a n : lo que un término gana en d d d lo pierde el de enfrente. Hay n n n columnas, así que S n = n ( a 1 + a n ) / 2 S_n = n(a_1 + a_n)/2 S n = n ( a 1 + a n ) /2 . Cuando el número de términos es impar, el término central se empareja consigo mismo (es exactamente ( a 1 + a n ) / 2 (a_1 + a_n)/2 ( a 1 + a n ) /2 , la media de todos los términos) y la fórmula no cambia. La parte derecha de la figura 1 es la versión geométrica de este álgebra: una escalera normal y otra invertida forman un rectángulo de n × ( a 1 + a n ) n \times (a_1 + a_n) n × ( a 1 + a n ) .
Sustituyendo a n = a 1 + ( n − 1 ) d a_n = a_1 + (n-1)d a n = a 1 + ( n − 1 ) d se obtiene la segunda forma, S n = n a 1 + n ( n − 1 ) 2 d S_n = n a_1 + \dfrac{n(n-1)}{2} d S n = n a 1 + 2 n ( n − 1 ) d : n n n copias de a 1 a_1 a 1 más 0 + 1 + ⋯ + ( n − 1 ) = n ( n − 1 ) / 2 0 + 1 + \cdots + (n-1) = n(n-1)/2 0 + 1 + ⋯ + ( n − 1 ) = n ( n − 1 ) /2 copias de d d d . Esto indica que S n S_n S n es cuadrática en n n n : al duplicar el número de términos, la suma se multiplica aproximadamente por 4.
La lectura «media × número de términos»
S n = n ⋅ a 1 + a n 2 S_n = n \cdot \dfrac{a_1 + a_n}{2} S n = n ⋅ 2 a 1 + a n : la suma es la «media del primer y el último término» multiplicada por el número de términos. En una progresión aritmética, la media del primer y el último término es la media de todos los términos, porque los términos se distribuyen simétricamente alrededor del punto medio. En el problema del inventario del ejemplo 3, 738 = 61.5 × 12 es «inventario medio × días», una lectura que es lo mismo que el área del trapecio (base mayor más base menor por altura partido por dos) y que el desplazamiento en el movimiento uniformemente acelerado (velocidad media por tiempo).
Aritmética y geométrica: interés simple y compuesto
Una progresión aritmética suma una cantidad fija en cada paso; una geométrica multiplica por un factor fijo. Un capital de 1000 al 5 % de interés simple genera 50 fijos cada año y sus saldos anuales 1050, 1100, 1150, … forman una progresión aritmética, con 1500 al cabo de 10 años; al 5 % de interés compuesto se forma una progresión geométrica 1000 × 1.05 n 1000 \times 1.05^n 1000 × 1.0 5 n , con 1628.89 al cabo de 10 años. La primera es una recta y la segunda una curva exponencial, y la diferencia crece con el tiempo; puede verse en detalle en la calculadora de interés compuesto .