.Sala de Estudo: Sequências Numéricas – Sala 1

Progressão Aritmética


Definição: Chamamos de progressão aritmética (P.A.) toda sequência numérica em que cada termo, a partir do segundo, é igual à soma do termo anterior com uma constante. Essa constante é chamada razão da P.A. e é usualmente indicada por [tex]r[/tex].
Observação: Progressões aritméticas podem ser finitas ou infinitas.

Exemplos:
Quando [tex]a_1=1[/tex] e [tex]r=2,[/tex] temos a P.A. [tex](1,3,5,7,\cdots).[/tex]
Quando [tex]a_1=2[/tex] e [tex]r=1,5,[/tex] temos a P.A. [tex](2;~3,5;~5;~6,5;\cdots).[/tex]
Quando [tex]a_1=-3[/tex] e [tex]r=0,[/tex] temos a P.A. [tex](-3, -3, -3, \cdots).[/tex]
Quando [tex]a_1=0[/tex] e [tex]r=-3,[/tex] temos a P.A. [tex](0,-3,-6,-9,\cdots).[/tex]

Classificação

         As progressões aritméticas podem ser classificadas em três categorias, conforme veremos a seguir.

Constantes: são progressões aritméticas cuja razão é [tex]r=0[/tex]. Neste caso, os termos da P.A. são todos iguais.
       De fato,
[tex]\qquad \quad a_2 = a_1+r = a_1+0=a_1[/tex];
[tex]\qquad\quad a_3 = a_2+r=a_1+0=a_1[/tex];
[tex]\qquad\quad a_4=a_3+r =a_1+0=a_1[/tex];
[tex]\qquad ~~~~~~\vdots [/tex]
Exemplo: [tex](3,3,3,\cdots)[/tex] é uma progressão aritmética constante, na qual [tex]a_1=3[/tex] e [tex]r=0.[/tex]

Crescentes: são progressões aritméticas cuja razão é positiva ([tex]r\gt 0[/tex]). Neste caso, cada termo, a partir do segundo, é maior que o termo anterior.
Vejamos: se [tex]r\gt 0[/tex], segue que:
[tex]\qquad\quad a_2 = a_1+r\gt a_1[/tex];
[tex]\qquad\quad a_3 = a_2+r\gt a_2[/tex];
[tex]\qquad\quad a_4 = a_3+r\gt a_3[/tex];
[tex]\qquad\quad a_5 = a_4+r\gt a_4[/tex];
[tex]\qquad ~~~~~~\vdots[/tex]
Exemplo: [tex](0,2,4,6,8\cdots)[/tex] é uma progressão aritmética crescente, na qual [tex]a_1=0[/tex] e [tex]r=2.[/tex]

Decrescentes: são progressões aritméticas cuja razão é negativa ([tex]r\lt 0[/tex]). Neste caso, cada termo, a partir do segundo, é menor que o termo anterior.
Observe: se [tex]r\lt 0[/tex], segue que:
[tex]\qquad \quad a_2 = a_1+r\lt a_1[/tex];
[tex]\qquad\quad a_3 = a_2+r\lt a_2[/tex];
[tex]\qquad\quad a_4 = a_3+r\lt a_3[/tex];
[tex]\qquad\quad a_5 = a_4+r\lt a_4[/tex];
[tex]\qquad ~~~~~~\vdots[/tex]
Exemplo: [tex](0,-3,-6,-9,\cdots)[/tex] é uma progressão aritmética decrescente, na qual [tex]a_1=0[/tex] e [tex]r=-3.[/tex]

Termo geral de uma P.A.

         Nesta seção, veremos que um termo qualquer de uma P.A. (finita ou infinita) pode ser imediatamente determinado, conhecendo-se apenas o primeiro termo [tex]a_1[/tex] e a razão [tex]r[/tex] da P.A. em questão.
Veja que, se considerarmos os temos [tex]a_1,~a_2,~\cdots~,~a_n[/tex] de qualquer progressão aritmética de razão [tex]r[/tex], por definição teremos:
[tex]\qquad \begin{align}a_2 &= a_1+r;\\
a_3&= a_2+r = (a_1+r)+r = a_1+2r;\\
a_4&=a_3+r=(a_1+2r)+r=a_1+3r;\\
&~~ \vdots\\
a_n&=a_{n-1}+r=(a_1+(n-2)\cdot r)+r=a_1+(n-1)\cdot r;\\
~~\end{align} [/tex]
         Assim, pelo que acabamos de deduzir, existe uma fórmula para encontrar o n-ésimo termo de uma P.A.; vamos registrar essa fórmula como uma propriedade.

Fórmula do termo geral de uma P.A.: Se [tex]\left(a_i\right)[/tex] é uma progressão aritmética (finita ou infinita) de razão [tex]r[/tex], então

[tex]\qquad \boxed{a_n=a_1+(n-1)\cdot r}[/tex]

com [tex]n \in \mathbb{N}^*.[/tex]

         A fórmula anterior é bastante útil, porém tem a inconveniência de precisarmos do primeiro termo da progressão e isso nem sempre é possível. Veremos a seguir outra maneira de obtermos termos de uma progressão aritmética: a partir de qualquer termo anterior da progressão. Mas, para isso, a fórmula anterior é o primeiro passo da dedução:
[tex]\qquad a_n = a_1+(n-1)\cdot r[/tex]
[tex]\qquad a_n = a_1+(p+n-1-p)\cdot r[/tex]
[tex]\qquad a_n = a_1+[(p-1)+(n-p)]\cdot r[/tex]
[tex]\qquad a_n = \underbrace{a_1+(p-1)\cdot r}_{a_p}+ (n-p)\cdot r[/tex]
[tex]\qquad a_n = a_p+ (n-p)\cdot r.[/tex]
Também vamos registrar essa fórmula como uma propriedade.

Fórmula do termo geral de uma P.A.: Se [tex]\left(a_i\right)[/tex] é uma progressão aritmética (finita ou infinita) de razão [tex]r[/tex], então

[tex]\boxed{a_n = a_p+ (n-p)\cdot r}[/tex]

com [tex]n,~p \in \mathbb{N}^*[/tex] tais que [tex] p \lt n.[/tex]

Soma dos [tex]n[/tex] primeiros termos de uma P.A.

De acordo com um episódio bem pitoresco da História da Matemática, na Alemanha, um garoto de menos de dez anos surpreendeu seu professor de Matemática ao apresentar rapidamente a resposta a um problema proposto aos alunos por esse professor: somar todos os números naturais de 1 a 100.

gaussinhoImagem extraída da Revista Galileu

O cálculo feito pelo menino foi:

[tex] \boxed{1+2+3+\cdots +99+100=\dfrac{100}{2} \times 101 = 50\times 101=5050}.[/tex]

Entenda a peripécia do garoto, observando o esqueminha abaixo.
soma_gauss
Para a história não ficar sem fim, o menino autor da façanha se tornou um dos mais importantes matemáticos de todos os tempos: Johann Carl Friedrich Gauss, conhecido como o Príncipe da Matemática!

         Note que a sequência [tex](1,2,3,\cdots, 100)[/tex] é uma P.A. de razão [tex]1.[/tex] Assim, como Gauss, vamos tentar obter a soma dos termos iniciais [tex]a_1,~a_2,~a_3,~\cdots~,~a_n[/tex] de uma P.A.; só que de uma P.A. qualquer:

Inicialmente, observe que:
[tex]\qquad \begin{align}S_n &= a_1+a_2+\cdots +a_n\\
&= a_1+(a_1+r)+\cdots +(a_1+(n-1)\cdot r).\end{align}[/tex]

Uma outra maneira de escrevermos [tex]S_n[/tex], seria
[tex]\qquad \begin{align}S_n &= a_n+a_{n-1}+\cdots +a_1\\
&= a_n+(a_n-r)+\cdots +(a_n-(n-1)\cdot r).\end{align}[/tex]

Somando as expressões encontradas na primeira e na segunda maneiras de representar [tex]S_n[/tex], temos:
[tex]\begin{align}&S_n = a_1+(a_1~\cancel{+r})+\cdots +(a_1~\cancel{+(n-1)\cdot r})\\
+~~& \\
&S_n = a_n+(a_n~\cancel{-r})+\cdots +(a_n~\cancel{-(n-1)\cdot r})\end{align}\\
\\
\underline{~\qquad \qquad ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~}[/tex]
[tex] ~~~~ 2S_n = \underbrace{(a_1+a_n)+(a_1+a_n)+\cdots +(a_1+a_n)}_{\mbox{n vezes}}[/tex]
[tex] ~~~~ 2S_n = (a_1+a_n)\cdot n[/tex]
[tex] ~~~~~ \boxed{S_n = \dfrac{(a_1+a_n)\cdot n}{2}}[/tex].

         Vamos registrar mais essa propriedade e aplicá-la em dois exercícios.

Soma dos [tex]n[/tex] primeiros termos de uma P.A.: Considere uma P.A. [tex]\left(a_i\right)[/tex] de razão [tex]r.[/tex]
Denotando por [tex]S_n[/tex] a soma dos [tex]n[/tex] primeiros termos dessa P.A., temos

[tex]\qquad \boxed{S_n = \dfrac{(a_1+a_n)\cdot n}{2}}. [/tex]

Dois exercícios resolvidos:
(1) Determine a soma de todos os números pares de três algarismos.

    Solução: O menor número par de três algarismos é [tex]100[/tex] e o maior é [tex]998[/tex]; queremos, então, saber a soma dos termos da sequência [tex](100, 102, 104, \cdots, 998)[/tex].
    Para isso, precisamos saber quantos termos tem essa sequência.
    Observe que o primeiro termo é [tex]a_1=100[/tex] e a razão é [tex]r=2[/tex].
    Fazendo [tex]a_n=998[/tex], vamos determinar o valor de [tex]n[/tex].
    Pela fórmula do termo geral da P.A., temos:
    [tex]\qquad a_n = a_1+(n-1)\cdot r\\
    \qquad 998 = 100+(n-1)\cdot 2\\
    \qquad 898=(n-1)\cdot 2\\
    \qquad n-1=449\\
    \qquad n=450.[/tex]
    Portanto, usando agora a fórmula da soma dos termos da P.A., segue que:
    [tex]\qquad S_{450} = \dfrac{(100+998)\cdot 450}{2}\\
    \qquad S_{450} = \dfrac{1\;098\cdot 450}{2}\\
    \qquad \boxed{S_{450} = 247\;050}.[/tex]

(2) Determine a soma dos 15 primeiros termos da P.A. [tex](-4,-1,2,5,\cdots).[/tex]

    Solução: Note que nessa progressão temos [tex]a_1= -4[/tex] e [tex]r=3.[/tex]
    A princípio, não podemos aplicar a fórmula da Soma dos termos de uma P.A., pois não conhecemos o décimo quinto termo. Mas podemos obtê-lo com a “Fórmula do termo geral de uma P.A.”:
    [tex]\qquad a_{15}=a_1+(15-1)\cdot r\\
    \qquad a_{15}=-4+(15-1)\cdot 3\\
    \qquad a_{15}=-4+42=38.[/tex]
    Agora, pela “Fórmula da soma dos termos de uma P.A.”, segue que:
    [tex]\qquad S_{15} = \dfrac{(a_1+a_{15})\cdot 15}{2}\\
    \qquad S_{15} = \dfrac{(-4+38)\cdot 15}{2}\\
    \qquad S_{15} = \dfrac{34\cdot 15}{2}\\
    \qquad S_{15}=255.[/tex]

         Para utilizarmos o resultado obtido para se calcular “a soma dos primeiros termos de uma P.A.”, precisamos conhecer o “primeiro termo”, o “termo que define a última parcela da soma” e a “quantidade total de termos a serem somados”. Mas o exercício anterior nos mostra que podemos obter essa soma conhecendo o valor [tex]a_1[/tex] do primeiro termo, a razão [tex]r[/tex] e a quantidade [tex]n[/tex] de termos a serem somados.
         Então, genericamente, vamos considerar uma P.A. cujos termos são [tex]a_1,~a_2,a_3,~\cdots~~[/tex], a razão seja [tex]r[/tex] e tentar obter a soma [tex]S_n[/tex] dos [tex]n[/tex] primeiros termos dessa P.A..
Usando o resultado visto anteriormente, temos [tex]S_n = \dfrac{(a_1+a_n)n}{2}[/tex]; mas, substituindo nessa fórmula o termo geral [tex]\textcolor{#42c1a6}{\boxed{a_n= a_1+(n-1)\cdot r}}[/tex], segue que:
[tex]\qquad S_n = \dfrac{(a_1+\textcolor{#42c1a6}{a_n})n}{2}\\
\qquad S_n = \dfrac{\left[a_1+\textcolor{#42c1a6}{\boxed{a_1+(n-1)\cdot r}}\right]n}{2}\\
\qquad S_n = \dfrac{\left[2a_1+(n-1)\cdot r\right]n}{2}\\
\qquad S_n = \dfrac{2na_1+n(n-1)\cdot r}{2}\\
\qquad S_n = na_1+\dfrac{n(n-1)}{2}\cdot r.[/tex]

         Dessa forma, temos uma alternativa para calcular a soma dos primeiros termos de uma P.A.:

Soma dos [tex]n[/tex] primeiros termos de uma P.A. (versão 2): Considere uma P.A. [tex]\left(a_1,~a_2, ~\cdots~\right)[/tex] de razão [tex]r.[/tex]
Denotando por [tex]S_n[/tex] a soma dos [tex]n[/tex] primeiros termos dessa P.A., temos que

[tex]\qquad \boxed{S_n = n\cdot a_1+\dfrac{n\cdot (n-1)}{2}\cdot r}. [/tex]

A geometria das Progressões Aritméticas

         Uma progressão aritmética pode ser interpretada geometricamente como uma sequência de pontos sobre uma reta, a uma igual distância dos seus dois vizinhos imediatos, conforme ilustra a próxima imagem.

         Formalizando, temos mais uma propriedade, a quarta e última que será apresentada nesta Sala e que garante, que olhando os termos de uma PA como pontos de uma reta, cada termo a partir do segundo é o ponto médio de seus vizinhos imediatos:

Dada uma P.A. [tex]\left(a_i \right)[/tex], temos

[tex]\boxed{a_n = \dfrac{a_{n-1}+a_{n+1}}{2}}[/tex]

para [tex]n \in \mathbb{N},~ n \gt 1.[/tex]

         Podemos garantir esse resultado de maneira bem simples.
         De fato, observe que:
[tex]\quad \qquad \begin{align} \boxed{\dfrac{a_{n-1}+a_{n+1}}{2}} &= \dfrac{a_{n-1}+(a_{n-1}+2r)}{2}\\
&=\dfrac{2a_{n-1}+2r}{2}\\
&=a_{n-1}+r\\
&=\boxed{a_n}.\end{align}[/tex]

         Finalizando, aí vai o último exercício desta Sala.

Exercício: Sabendo que a sequência [tex](3x-5, 3x+1, 25)[/tex] é uma P.A., determine o valor de [tex]x[/tex].

    Solução: Usando a propriedade vista acima, temos o seguinte:
    [tex]\qquad a_2 = \dfrac{a_1+a_3}{2}\\
    \qquad 3x+1 = \dfrac{3x-5+25}{2}\\
    \qquad 3x+1 = \dfrac{3x+20}{2}\\
    \qquad 6x+2=3x+20\\
    \qquad 3x=18\\
    \qquad \boxed{x=6}.[/tex]


Equipe COM – OBMEP

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