Bài 3. CẤP SỐ NHÂN

+ Một quả bóng rơi từ một vị trí có độ cao \(120 \mathrm{\,cm}\). Khi chạm đất, nó luôn nảy lên độ cao bằng một nửa độ cao của lần rơi trước đó.

+ Gọi \(u_1=120\) là độ cao của lần rơi đầu tiên và \(u_2\); \(u_3\); \(\ldots\); \(u_n\); \(\ldots\) là độ cao của các lần rơi kế tiếp. Tìm 5 số hạng đầu tiên của dãy \(\left(u_n\right)\) và tìm điểm đặc biệt của dãy số đó.

1. Cấp số nhân

Tính thương của hai số hạng liên tiếp trong dãy số: \(2\); \(4\); \(8\); \(16\); \(32\); \(64\).

Tìm điểm giống nhau của các dãy số sau:

+ \(3\); \(6\); \(12\); \(24\); \(48\).

+ \(1\); \(\displaystyle\frac{1}{2}\); \(\displaystyle\frac{1}{4}\); \(\displaystyle\frac{1}{8}\); \(\displaystyle\frac{1}{16}\).

+ \(2\); \(-6\); \(18\); \(-54\); \(162\); \(-486\).

+ Cấp số nhân là một dãy số (hữu hạn hoặc vô hạn) mà trong đó, kể từ số hạng thứ hai, mỗi số hạng đều bằng tích của số hạng đứng ngay trước nó với một số \(q\) không đổi, nghĩa là

\[u_{n+1}=u_n \cdot q\,\, \text{với} \,\,n \in \mathbb{N}^*.\]

+ Số \(q\) được gọi là công bội của cấp số nhân.

Ví dụ 1. Tìm số hạng đầu và công bội của các cấp số nhân sau:

a. \(3\); \(6\); \(12\); \(24\); \(48\); \(\ldots\).

b. \(1\); \(-\displaystyle\frac{1}{2}\); \(\displaystyle\frac{1}{4}\); \(-\displaystyle\frac{1}{8}\); \(\displaystyle\frac{1}{16}\); \(\ldots\)

c. \(9\); \(9\); \(9\); \(9\); \(9\); \(\ldots\)

a. Dãy số: \(3\); \(6\); \(12\); \(24\); \(48\); \(\ldots\) là cấp số nhân với \(u_1=3\) và công bội \(q=2\).

b. Dãy số: \(1\); \(-\displaystyle\frac{1}{2}\); \(\displaystyle\frac{1}{4}\); \(-\displaystyle\frac{1}{8}\); \(\displaystyle\frac{1}{16}\); \(\ldots\) là cấp số nhân với \(u_1=1\) và công bội \(q=-\displaystyle\frac{1}{2}\).

c. Dãy số: \(9\); \(9\); \(9\); \(9\); \(9\); \(\ldots\) là cấp số nhân với \(u_1=9\) và công bội \(q=1\).

Ví dụ 2. Trong các dãy số sau, dãy số nào là cấp số nhân? Tìm số hạng đầu và công bội của cấp số nhân đó.

a. \(1 ; 11 ; 121 ; 12321 ; 1234321\).

b. \(1 ;-1 ; 1 ;-1 ; 1.\)

c. \(4 ; 8 ; 12 ; 16\).

a. Dãy số: \(1 ; 11 ; 121 ; 12321 ; 1234321\) là cấp số nhân với số hạng đầu \(u_1=1\) và công bội \(q=11\).

b. Dãy số: \(1 ;-1 ; 1 ;-1 ; 1\) là cấp số nhân với số hạng đầu \(u_1=1\) và công bội \(q=-1\).

c. Dãy số: \(4 ; 8 ; 12 ; 16\) có \(\displaystyle\frac{u_2}{u_1} \neq \displaystyle\frac{u_3}{u_2}\) nên không là cấp số nhân.

Ví dụ 3. Cho cấp số nhân: \(1\); \(10\); \(100\); \(1000\); \(10000\). Biểu diễn số hạng \(10\) và \(100\) theo hai số hạng kề nó.

Ta có \( 10^2=1\cdot 100 ;\,\, 100^2=10\cdot 1000\).

Chú ý. Dãy số \(\left(u_n\right)\) là cấp số nhân thì \(u_n^2=u_{n-1} \cdot u_{n+1}\) với \(n\geq2\).

Ví dụ 4. Cho ba số tự nhiên \(m\); \(n\); \(p\) theo thứ tự lập thành cấp số cộng. Chứng minh ba số \(2^m\); \(2^n\); \(2^p\) theo thứ tự lập thành cấp số nhân.

Ba số tự nhiên \(m\); \(n\); \(p\) theo thứ tự lập thành cấp số cộng nên

\(m+p =2n \Rightarrow 2^{m+p}= 2^{2n}\) \(\Rightarrow \displaystyle\frac{2^n}{2^m} =\displaystyle\frac{2^p}{2^n}.\)

Điều đó chứng tỏ rằng ba số \(2^m\); \(2^n\); \(2^p\) theo thứ tự lập thành cấp số nhân.

Ví dụ 5. Một quốc gia có dân số năm 2011 là \(P\) triệu người. Trong \(10\) năm tiếp theo, mỗi năm dân số tăng \(a \%\). Chứng minh rằng dân số các năm từ năm 2011 đến năm 2021 của quốc gia đó tạo thành cấp số nhân. Tìm công bội của cấp số nhân này.

Coi ngày điều tra dân số năm 2011 và năm 2021 trùng nhau thì từ năm 2011 đến năm 2021 là 10 năm. Vậy dân số nước ta tính đến năm 2021 là

\(u_{10} = P\cdot \left(1+a\%\right)^{10}.\)

Ta có

\(u_{1} = P\cdot \left(1+a\%\right)^{1}.\)

\(u_{2} = P\cdot \left(1+a\%\right)^{2}.\)

Và công bội của cáp số nhân này là

\(\, \displaystyle\frac{u_2}{u_1} = q = \displaystyle\frac{P\cdot \left(1+a\%\right)^{2}}{P\cdot \left(1+a\%\right)^{1}}\) \(= 1+a\%.\)

Ví dụ 6. Tần số của ba phím liên tiếp Sol, La, Si trên một cây đàn organ tạo thành cấp số nhân. Biết tần số của hai phím Sol và Si lần lượt là \(415\) Hz và \(466\)Hz. Tính tần số của phím La (làm tròn đến hàng đơn vị).

Ba phím liên tiếp Sol, La, Si trên một cây đàn organ theo thứ tự \(u_1; u_2; u_3\) tạo thành cấp số nhân nên

\(u^2_2 = u_1 \cdot u_3 \Rightarrow u^2_2 =415 \cdot 466 =193390\) \(\Rightarrow u_2 =440\, (u_2>0).\)

Vậy tần số của phím La là \(400\) Hz.

2. Số hạng tổng quát của cấp số nhân

Định lí. Nếu một cấp số nhân \(\left(u_n\right)\) có số hạng đầu \(u_1\) và công bội \(q\) thì số hạng tổng quát \(u_n\) của nó được xác định bởi công thức

\[u_n=u_1 \cdot q^{n-1},\, n \geq 2.\]

Ví dụ 1. Cho cấp số nhân có \(8\) số hạng, số hạng đầu là \(4374\), số hạng cuối là \(2\). Tìm công bội của cấp số nhân đó.

Ta có \(u_1=4374\) và \(u_8=2\). Gọi \(q\) là công bội của cấp số nhân này.

Ta có \(u_8=u_1 \cdot q^7\), suy ra \(q^7=\displaystyle\frac{u_8}{u_1}=\displaystyle\frac{2}{4374}=\displaystyle\frac{1}{2187}=\left(\displaystyle\frac{1}{3}\right)^7\), do đó \(q=\displaystyle\frac{1}{3}\).

Ví dụ 2. Viết công thức số hạng tổng quát \(u_n\) theo số hạng đầu \(u_1\) và công bội \(q\) của các cấp số nhân sau:

a. \(5 ; 10 ; 20 ; 40 ; 80 ; \ldots\);

b. \(1 ; \displaystyle\frac{1}{10} ; \displaystyle\frac{1}{100} ; \displaystyle\frac{1}{1000} ; \displaystyle\frac{1}{10000} ; \ldots\)

a. Ta có \(u_1=5 ; q= 2\) suy ra \(u_n = 5\cdot2^{n-1}\);

b. Ta có \(u_1=1 ; q= \displaystyle\frac{1}{10}\) suy ra \(u_n = 10\cdot\left(\displaystyle\frac{1}{10}\right)^{n-1}\).

Ví dụ 3. Chu kì bán rã của nguyên tố phóng xạ poloni 210 là 138 ngày, nghĩa là sau 138 ngày, khối lượng của nguyên tố đó chi còn một nửa. Tính khối lượng còn lại của 20 gam poloni 210 sau:

a. 690 ngày;

b. 7314 ngày (khoảng 20 năm).

a. Ta có \(\displaystyle\frac{690}{138}=5\) suy ra khối lượng còn lại sau 690 này là \(\displaystyle\frac{20}{2^5}=0{,}625\) gam;

b. Ta có \(\displaystyle\frac{7314}{138}=53\) suy ra khối lượng còn lại sau 7314 này là \(\displaystyle\frac{20}{2^{53}}\) gam.

3. Tổng của \(n\) số hạng đầu tiên của cấp số nhân

Cho cấp số nhân \(\left(u_n\right)\) có công bội \(q\). Đặt \(S_n=u_1+u_2+\cdots+u_n\).

a. So sánh \(q \cdot S_n\) và \(\left(u_2+u_3+\cdots+u_n\right)+q \cdot u_n\);

b. So sánh \(u_1+q \cdot S_n\) và \(S_n+u_1 \cdot q^n\).

Định lí.

Giả sử \(\left(u_n\right)\) là một cấp số nhân có công bội \(q \neq 1\). Đặt \(S_n=u_1+u_2+\cdots+u_n\), khi đó

\(S_n=\dfrac{u_1\left(1-q^n\right)}{1-q}.\)

Chú ý.

Khi \(q=1\) thì \(S_n=n \cdot u_1\).

Ví dụ 1. Tính tổng 10 số hạng đầu tiên của cấp số nhân \(\left(u_n\right)\) có số hạng đầu \(u_1=1\) và công bội \(q=2\).

Áp dụng công thức \(S_n=\displaystyle\frac{u_1\left(1-q^n\right)}{1-q}\), ta có \(S_{10}=\displaystyle\frac{1 \cdot\left(1-2^{10}\right)}{1-2}=2^{10}-1=1023\).

Ví dụ 2. Tính tổng \(n\) số hạng đầu tiên của cấp số nhân \(\left(u_n\right)\) trong các trường hợp sau:

a. \(u_1=10^5\), \(q=0{,}1\), \(n=5\);

b. \(u_1=10\), \( u_2=-20\), \(n=5\).

a. \(u_1=10^5\), \(q=0{,}1\), \(n=5\);

\(S_5=\displaystyle\frac{u_1\left(1-q^5\right)}{1-q}=\displaystyle\frac{10^5\left(1-0\right)}{1-0}=10^5.\)

b. \(u_1=10\), \(u_2=-20\), \(n=5.\)

Ta có \(\displaystyle\frac{u_2}{u_1}=q=-2\).

\(S_5=\displaystyle\frac{u_1\left(1-q^5\right)}{1-q}=\displaystyle\frac{10\cdot\left(1-(-2)^5\right)}{1-(-2)}\) \(=110.\)

Ví dụ 3. Trong bài toán ở đầu bài học, tính tổng các độ cao của quả bóng sau 10 lần rơi đầu tiên.

Ta có \(u_1=120\); \(u_2=60\); \(q=\displaystyle\frac{1}{2}\).

Tổng các độ cao của quả bóng sau \(10\) lần rơi đầu tiên là

\(S_{10}=\displaystyle\frac{u_1\left(1-q^{10}\right)}{1-q}\) \(=\displaystyle\frac{120\cdot\left[1-\left(\displaystyle\frac{1}{2}\right)^{10}\right]}{1-\left(\displaystyle\frac{1}{2}\right)}=\displaystyle\frac{15345}{64} \, \text{cm}.\)

BÀI TẬP

Bài tập sách Chân trời sáng tạo

Bài tập 1. Trong các dãy số sau, dãy số nào là cấp số nhân?

a. \(u_n=3(-2)^n\);

b. \(u_n=(-1)^{n+1} \cdot 7^n\);

c. \(\left\{\begin{aligned}&u_1=1 \\& u_{n+1}=2 u_n+3.\end{aligned}\right.\)

a. \(u_1=3(-2)^1=-6\); \(u_2=3(-2)^2=12\); \(u_3=3(-2)^3=-24\).

Dãy này là cấp số nhân với công bội \(q=-2\).

b. Ta có \(\displaystyle\frac{u_{n+1}}{u_n}=\displaystyle\frac{(-1)^{n+2} \cdot 7^{n+1}}{(-1)^{n+1} \cdot 7^n}=-7\).

Dãy này là cấp số nhân với công bội \(q=-7\).

c. Xét dãy \(\left\{\begin{aligned}&u_n=1 \\& u_{n+1}=2 u_n+3. \end{aligned}\right.\)

Ta có \(u_1 = 1\), \(u_2 = 5\), \(u_3 = 13\cdot \displaystyle\frac{u_3}{u_2} \neq \displaystyle\frac{u_2}{u_1} \) nên dãy này không là cấp số nhân.

Bài tập 2. Tìm số hạng đầu và công bội của cấp số nhân \(\left(u_n\right)\), biết:

a. \(\left\{\begin{aligned}&u_5-u_1=15 \\& u_4-u_2=6;\end{aligned}\right.\)

b. \(\left\{\begin{aligned}&u_1-u_3+u_5=65 \\& u_1+u_7=325 .\end{aligned}\right.\)

a. Ta có

\(\quad\) \(\left\{\begin{aligned}&u_5-u_1=15 \\& u_4-u_2=6\end{aligned}\right. \Leftrightarrow \left\{\begin{aligned}&u_1q^4-u_1=15 \\& u_1 q^3-u_1 q^1=6\end{aligned}\right.\) \(\Leftrightarrow \left\{\begin{aligned}&u_1(q^4-1)=15&&(1)\\& u_1 (q^3-q^1)=6&&(2)\end{aligned}\right.\)

Lấy (1) chia (2) ta được

\(\quad\) \(\displaystyle\frac{q^4 - 1}{q^3-q}=\displaystyle\frac{15}{6}=\displaystyle\frac{5}{2}\) \(\Rightarrow \left[\begin{aligned}&q=1&&\text{(loại)}\\&q=-1&&\text{(loại)}\\&q=2; \; u_1 = 1\\&q=\displaystyle\frac{5}{2};\; u_1 = \displaystyle\frac{80}{203}.\end{aligned}\right.\)

b. Ta có

\(\quad\) \(\left\{\begin{aligned}&u_1-u_3+u_5=65 \\& u_1+u_7=325 .\end{aligned}\right.\) \(\Leftrightarrow\left\{\begin{aligned}&u_1\left(1-q^2+q^4\right)=65 &&(3)\\& u_1\left(1+q^6\right)=325 &&(4) \end{aligned}\right. \)

Lấy (3) chia (4) ta được

\(\quad\) \(\displaystyle\frac{1-q^2+q^4}{1+q^6}=\displaystyle\frac{65}{325}\) \(\Leftrightarrow q^2 =4 \Leftrightarrow \left[\begin{aligned}&q=2; \, u_1=5\\&q=-2 ; \, u_1=5.\end{aligned}\right.\)

Bài tập 3.

a. Số đo bốn góc của một tứ giác lập thành cấp số nhân. Tìm số đo của bốn góc đó biết rằng số đo của góc lớn nhất gấp 8 lần số đo của góc nhỏ nhất.

b. Viết sáu số xen giữa các số \(-2\) và 256 để được cấp số nhân có tám số hạng. Nếu viết tiếp thì số hạng thứ 15 là bao nhiêu?

a. Gọi số đo bốn góc của tứ giác lần lượt là

\(u_1\); \(u_1\cdot q\); \(u_1\cdot q^2\); \(u_1\cdot q^3.\)

Ta có

\(\left\{\begin{aligned}&u_1\cdot q^3=8 \cdot u_1 \\& u_1+ u_1\cdot q+ u_1\cdot q^2+ u_1\cdot q^3 =360\end{aligned}\right.\)

\(\Leftrightarrow \left\{\begin{aligned}&q=2 \\& u_1+ 2u_1+ 4u_1+ 8u_1 =360\end{aligned}\right.\)

\(\Leftrightarrow \left\{\begin{aligned}&q=2 \\& u_1=24.\end{aligned}\right.\)

Vậy số đo bốn góc của tứ giác lần lượt là \(24^\circ\); \(48^\circ\); \(96^\circ\); \(192^\circ\).

b. Ta có

\(\left\{\begin{aligned}&u_1=-2 \\& u_8=256\end{aligned}\right.\Leftrightarrow \left\{\begin{aligned}&u_1=-2 \\& u_1\cdot q^7=256\end{aligned}\right.\)

\(\Leftrightarrow \left\{\begin{aligned}&u_1=-2 \\& q=-2.\end{aligned}\right.\)

Vậy sáu số xen giữa là \(4\); \(-8\); \(16\); \(-32\); \(64\); \(-128\).

Bài tập 4. Ba số \(\displaystyle\frac{2}{b-a}\), \(\displaystyle\frac{1}{b}\), \(\displaystyle\frac{2}{b-c}\) theo thứ tự lập thành cấp số cộng. Chứng minh rằng ba số \(a\), \(b\), \(c\) theo thứ tự lập thành cấp số nhân.

Ta có ba số \(\displaystyle\frac{2}{b-a}\), \(\displaystyle\frac{1}{b}\), \(\displaystyle\frac{2}{b-c}\) theo thứ tự lập thành cấp số cộng.

Suy ra

\(\begin{aligned}&\displaystyle\frac{2}{b-a}+\displaystyle\frac{2}{b-c} =\displaystyle\frac{2}{b}\Leftrightarrow\displaystyle\frac{1}{b-a}+ \displaystyle\frac{1}{b-c} =\displaystyle\frac{1}{b}\\ \Leftrightarrow\ &\displaystyle\frac{b-c+b-a}{(b-a)(b-c)}= \displaystyle\frac{1}{b}\\ \Leftrightarrow\ &2b^2-ab-cb=b^2-bc-ab+ac\\ \Leftrightarrow\ & b^2=ac.\end{aligned}\)

Vậy ba số \(a\), \(b\), \(c\) theo thứ tự lập thành cấp số nhân.

Bài tập 5. Tính các tổng sau:

a. \(S_n=1+\displaystyle\frac{1}{3}+\displaystyle\frac{1}{3^2}+\cdots+\displaystyle\frac{1}{3^n}\);

b. \(S_n=9+99+999+\cdots+\underbrace{99 \ldots 9}_{n \text { chữ số } 9}\).

a. Ta có

\(\begin{aligned}S_n=\ &1+\displaystyle\frac{1}{3}+\displaystyle\frac{1}{3^2}+\cdots+\displaystyle\frac{1}{3^n}\\ =\ &\displaystyle\frac{u_1(1-q^{n+1})}{1-q}\\ =\ &\displaystyle\frac{1\cdot\left(1 -\left(\displaystyle\frac{1}{3}\right)^{n+1}\right)}{1-\displaystyle\frac{1}{3}}\\ =\ &\displaystyle\frac{3}{2}\cdot\displaystyle\frac{3^{n+1}-1}{3^{n+1}}=\displaystyle\frac{3^{n+1}-1}{2 \cdot 3^n}\end{aligned}\).

b. Ta có

\(\begin{aligned}S_n&=9+99+999+\cdots+\underbrace{99 \ldots 9}_{n \text { chữ số } 9}\\ &=(10-1)+(10^2-1)+(10^3-1)+\cdots+(10^n-1)\\ &=10+10^2+10^3+\cdots+10^n-n\\ & =\displaystyle\frac{10\cdot(1-10^n)}{1-10}-n\\ &=\displaystyle\frac{10}{9}\cdot(10^n-1)-n\\ &=\displaystyle\frac{10^{n+1}-9n-10}{9}. \end{aligned}\)

Ví dụ 6. Một loại vi khuẩn được nuôi cấy trong phòng thí nghiệm, cứ mỗi phút số lượng lại tăng lên gấp đôi số lượng đang có. Từ một vi khuẩn ban đầu, hãy tính tổng số vi khuẩn có trong ống nghiệm sau 20 phút.

Số lượng vi khuẩn sau mỗi phút lập thành một cấp số nhân với \(u_1=1\); \(q=2\)

Suy ra tổng số vi khuẩn có trong ống nghiệm sau \(20\) phút là

\(u_{20}=u_1\cdot q^{19}\) \(=1 \cdot 2^{19}=524288\).

Ví dụ 7. Giả sử một thành phố có dân số năm 2022 là khoảng \(2{,}1\) triệu người và tốc độ gia tăng dân số trung bình mỗi năm là \(0{,}75 \%\).

a. Dự đoán dân số của thành phố đó vào năm \(2032\);

b. Nếu tốc độ gia tăng dân số vẫn giữ nguyên như trên thì uớc tính vào năm nào dân số của thành phố đó sẽ tăng gấp đôi so với năm \(2022\)?

a. Giả sử dân số năm \(2022\) là \(u_1=2{,}1\cdot 10^6\) thì dân số năm \(2023\) là

\(u_2=u_1+ 0{,}0075u_1=1{,}0075u_1\).

Tương tự dân số năm \(2024\) là \(u_3=1{,}0075u_2\).

Do đó dân số của thành phố qua các năm lập thành một cấp số nhân với \(u_1=2{,}1\cdot10^6\); \(q=1{,}0075\).

Vậy dân số năm \(2032\) tương ứng với \(u_{11}=u_1\cdot q^{10}=2,1\cdot 10^6\cdot1{,}0075^{10}\approx2262924\) (người).

b. Giả sử đến năm thứ \(n\) thì dân số gấp đôi năm \(2022\).

Suy ra

\(u_n=2u_1 \Leftrightarrow q^{n-1}=2\) \(\Leftrightarrow 1{,}0075^{n-1}=2 \Leftrightarrow n \approx 93{,}7.\)

Vậy \(94\) năm sau tức là năm \(2116\) thì dân số thành phố sẽ gấp đôi năm \(2022\).

Ví dụ 8. Trong trò chơi mạo hiểm nhảy bungee, mỗi lần nhảy, người chơi sẽ được dây an toàn có tính đàn hồi kéo nảy ngược lên \(60 \%\) chiều sâu của cú nhảy. Một người chơi bungee thực hiện cú nhảy đầu tiên có độ cao nảy ngược lên là \(9 \mathrm{~m}\).

a. Tính độ cao nảy ngược lên của người đó ở lần nảy thứ ba;

b. Tính tổng các độ cao nảy ngược lên của người đó trong \(5\) lần nảy đầu.

a. Gọi độ cao của người nhảy bungee nảy ngược lên lần đầu là \(u_1 = 9\) m.

Độ cao của người nhảy bungee nảy ngược lên lần tứ 2 là \(u_2 = 60\%\cdot u_1 =0{,}6\cdot 9 = 5{,}4\) m.

Độ cao của người nhảy bungee nảy ngược lên lần tứ 3 là \(u_3 = 60\%\cdot u_2 =0{,}6\cdot 5{,}4 = 3{,}24\) m.

b. Tổng các độ cao nảy ngược lên của người đó trong 5 lần nảy đầu là

\(\begin{aligned}S_5 &= u_1 + u_2 + u_3 + u_4 + u_5\\ &= u_1 \left[1+0{,}6+(0{,}6)^2 +(0{,}6)^3+ (0{,}6)^4\right]\\ &=9\cdot \displaystyle\frac{1-\left(0{,}6\right)^5}{1-0{,}6}=20{,}75 m.\end{aligned}\)

Bài tập sách Kết nối tri thức

Bài tập 1

Xác định công bội, số hạng thứ \(5\), số hạng tổng quát và số hạng thứ \(100\) của mỗi cấp số nhân sau:

a. \(1\), \(4\), \(16\), \(\ldots\);

b. \(2\), \(-\displaystyle\frac{1}{2}\), \(\displaystyle\frac{1}{8}\), \(\ldots\)

a. Ta có

\(u_1=1\), \(u_2=4\), \(u_3=16\), \(u_4=16\cdot 4=64\), \(u_5=64\cdot 4=256\).

Ta có \(u_1=1\), \(q=4\).

Số hạng tổng quát của cấp số nhân là

\(u_n=u_1\cdot q^{n-1}=1\cdot 4^{n-1}\), với \(n\ge 2\).

Số hạng thứ \(100\) là \(u_{100}=1\cdot 4^{100-1} =4^{99}\).

b. Ta có

\(u_1=2\), \(u_2=-\displaystyle\frac{1}{2}\), \(u_3=\displaystyle\frac{1}{8}\), \(u_4=\displaystyle\frac{1}{8}\cdot \left(-\displaystyle\frac{1}{4} \right) =-\displaystyle\frac{1}{32}\), \(u_5=-\displaystyle\frac{1}{32}\cdot \left(-\displaystyle\frac{1}{4} \right)=\displaystyle\frac{1}{128}\).

Ta có \(u_1=2\), \(q=-\displaystyle\frac{1}{4}\).

Số hạng tổng quát của cấp số nhân là

\(u_n=u_1\cdot q^{n-1}=2\cdot\left( -\displaystyle\frac{1}{4} \right) ^{n-1}\), với \(n\ge 2\).

Số hạng thứ \(100\) là

\(u_{100}=2\cdot \left( -\displaystyle\frac{1}{4} \right) ^{100-1}\) \(=-\left(\displaystyle\frac{1}{2} \right) ^{197}\).

Bài tập 2

Viết năm số hạng đầu của mỗi dãy số \(\left(u_{n}\right)\) sau và xem nó có phải là cấp số nhân không. Nếu nó là cấp số nhân, hãy tìm công bội \(q\) và viết công thức số hạng tổng quát của nó dưới dạng \(u_{n}=u_{1} \cdot q^{n-1}\).

a. \(u_{n}=5 n\);

b. \(u_{n}=5^{n}\);

c. \(u_{1}=1\), \(u_{n}=n u_{n-1}\);

\d. \(u_{1}=1\), \(u_{n}=5 u_{n-1}\).

a. Ta có

\(u_1=5\), \(u_2=10\), \(u_3=15\), \(u_4=20\), \(u_5=25\).

Đây không là một cấp số nhân.

b. Ta có

\(u_1=5\), \(u_2=25\), \(u_3=125\), \(u_4=625\), \(u_5=3125\).

Đây là cấp số nhân có \(q=5\), số hạng tổng quát

\(u_n=u_1\cdot q^{n-1}=5\cdot 5^{n-1}\), với \(n\ge 2\).

c. Ta có

\(u_1=1\), \(u_2=2\), \(u_3=6\), \(u_4=12\), \(u_5=60\).

Đây không là một cấp số nhân.

d. Ta có

\(u_1=1\), \(u_2=5\), \(u_3=25\), \(u_4=125\), \(u_5=625\).

Đây là cấp số nhân có \(q=5\), số hạng tổng quát

\(u_n=u_1\cdot q^{n-1}=1\cdot 5^{n-1}=5^{n-1}\), với \(n\ge 2\).

Bài tập 3

Một cấp số nhân có số hạng thứ \(6\) bằng \(96\) và số hạng thứ \(3\) bằng \(12\). Tìm số hạng thứ \(50\) của cấp số nhân này.

Số hạng tổng quát của cấp nhân là \(u_n=u_1\cdot q^{n-1}\), với \(n\ge 2\).

Theo bài toán, ta có

\(\begin{aligned}&\begin{cases} u_6=u_1\cdot q^5=96\\ u_3=u_1\cdot q^2=12\end{cases}\\ \Leftrightarrow\ &\begin{cases} q^3=8\\ u_1\cdot q^2=12\end{cases}\\ \Leftrightarrow\ &\begin{cases} q=2\\ u_1\cdot 2^2=12\end{cases}\\ \Leftrightarrow\ &\begin{cases} q=2\\ u_1=3.\end{cases}\)

Vậy số hạng tổng quát của cấp số nhân là \(u_n=3\cdot 2^{n-1}\), với \(n\ge 2\).

Số hạng thứ \(50\) là \(u_{50}=3\cdot 2^{49}\).

Bài tập 4

Một cấp số nhân có số hạng đầu bằng \(5\) và công bội bằng \(2\). Hỏi phải lấy tổng của bao nhiêu số hạng đầu của cấp số nhân này để có tổng bằng \(5115\)?

Số hạng tổng quát của cấp số nhân là \(u_n=5\cdot 2^{n-1}\), với \(n\ge 2\).

Tổng của \(n\) số hạng đầu tiên của cấp số nhân là

\(S_n=u_1\displaystyle\frac{q^n-1}{q-1}=5\cdot\displaystyle\frac{2^n-1}{2-1}\) \(=5\cdot\left( 2^n-1\right)\).

Theo bài toán, ta có

\(S_n=5\cdot\left( 2^n-1\right)=5115\) \(\Leftrightarrow 2^n=1024\Leftrightarrow n=10\).

Vậy phải lấy tổng \(10\) số hạng đầu mới thỏa yêu cầu bài toán.

Bài tập 5

Một công ty xây dựng mua một chiếc máy ủi với giá \(3\) tỉ đồng. Cứ sau mỗi năm sử dụng, giá trị của chiếc máy ủi này lại giảm \(20 \%\) so với giá trị của nó trong năm liền trước đó. Tìm giá trị còn lại của chiếc máy ủi đó sau \(5\) năm sử dụng.

Gọi \((u_n)\) là dãy số biểu diễn giá trị của chiếc máy ủi theo từng năm.

Dãy số này là một cấp số nhân có \(u_1=3\), \(q=0{,}2\).

Số hạng tổng quát của cấp số nhân này là \(u_n=3\cdot 0{,}2^{n-1}\).

Ta có

\(u_5=3\cdot 0{,}2^4=\displaystyle\frac{3}{325}\) \(=4{,}8\cdot10^{-3}\).

Tương ứng giá trị của chiếc máy ủi sau \(5\) năm là \(480\) triệu đồng.

Bài tập 6

Vào năm 2020, dân số của một quốc gia là khoảng \(97\) triệu người và tốc độ tăng trưởng dân số là \(0{,}91 \%\). Nếu tốc độ tăng trưởng dân số này được giữ nguyên hằng năm, hãy ước tính dân số của quốc gia đó vào năm 2030.

Dân số năm 2021 tăng lên so với năm 2020 là \(97 \cdot 0{,}91 \% \) triệu người.

Dân số năm 2021 là

\(97 + 97 \cdot 0{,}91 \% = 97\cdot (1+0{,}91 \%)\) triệu người.

Dân số năm 2022 tăng lên so với năm 2021 là \(97\cdot (1+0{,}91 \%)\cdot 0{,}91 \% \) triệu người.

Dân số năm 2022 là

\(97\cdot (1+0{,}91 \%) + 97\cdot (1+0{,}91 \%) \cdot 0{,}91 \%\) \(= 97\cdot (1+0{,}91 \%)^2\) triệu người.

Dân số năm 2023 tăng lên so với năm 2021 là \(97\cdot (1+0{,}91 \%)^2\cdot 0{,}91 \% \) triệu người.

Dân số năm 2023 là

\(97\cdot (1+0{,}91 \%)^2 + 97\cdot (1+0{,}91 \%)^2\cdot 0{,}91 \%\) \(= 97\cdot (1+0{,}91 \%)^3\) triệu người.

Tương tự vậy ta có dân số năm 2030 là \(97\cdot (1+0{,}91 \%)^{10} = 106{,}1973784\) triệu người.

Bài tập 7

Một loại thuốc được dùng mỗi ngày một lần. Lúc đầu nồng độ thuốc trong máu của bệnh nhân tăng nhanh, nhưng mỗi liều kế tiếp có tác dụng ít hơn liều trước đó. Lượng thuốc trong máu ở ngày thứ nhất là \(50 \,\mathrm{mg}\), và mỗi ngày sau đó giảm chỉ còn một nửa so với ngày kề trước đó. Tính tổng lượng thuốc (tính bằng \(\mathrm{mg}\)) trong máu của bệnh nhân sau khi dùng thuốc \(10\) ngày liên tiếp.

Gọi \((u_n)\) là dãy số biểu diễn giá trị của lượng thuốc trong máu của bệnh nhân theo từng ngày.

Dãy số này là một cấp số nhân có \(u_1=50\), \(q=\displaystyle\frac{1}{2}\).

Tổng của \(n\) số hạng đầu tiên của cấp số nhân là

\(S_n=u_1\displaystyle\frac{1-q^n}{1-q}\).

Theo bài toán, ta có

\(S_{10}=50 \cdot\displaystyle\frac{1-\left(\displaystyle\frac{1}{2}\right)^{10}}{1-\displaystyle\frac{1}{2}} \approx 99{,}902\).

Vậy tổng lượng thuốc trong máu của bệnh nhân sau khi dùng thuốc \(10\) ngày liên tiếp là \(99{,}902\) mg.

Bài tập sách Cánh diều

Bài tập 1

Trong các dãy số sau, dãy số nào là cấp số nhân? Vì sao?

a. \(5\); \(-0{,}5\); \(0{,}05\); \(-0{,}005\); \(0{,}0005\);

b. \(-9\); \(3\); \(-1\); \(\displaystyle\frac{1}{3}\); \(-\displaystyle\frac{1}{9}\);

c. \(2\); \(8\); \(32\); \(64\); \(256\).

a. Xét dãy số \(5\); \(-0{,}5\); \(0{,}05\); \(-0{,}005\); \(0{,}0005\);

Xét \(q=\displaystyle\frac{-0{,}5}{5}=-\displaystyle\frac{1}{10}\).

Ta có

\(5q=-0{,}5\); \(-0{,}5q=0{,}05\); \(0{,}05q=-0{,}005\); \(-0{,}005q=0{,}0005\).

Vậy dãy số đã cho là cấp số nhân với công bội \(q=-\displaystyle\frac{1}{10}\).

b. Xét dãy số \(-9\); \(3\); \(-1\); \(\displaystyle\frac{1}{3}\); \(-\displaystyle\frac{1}{9}\); Xét \(q=\displaystyle\frac{3}{-9}=-\displaystyle\frac{1}{3}\).

Ta có

\(-9q=3\); \(3q=-1\), \(-1q=\displaystyle\frac{1}{3}\); \(\displaystyle\frac{1}{3}q=-\displaystyle\frac{1}{9}\).

Vậy dãy số đã cho là cấp số nhân với công bội \(q=-\displaystyle\frac{1}{3}\).

c. Xét dãy số \(2\); \(8\); \(32\); \(64\); \(256\).

Xét \(q=\displaystyle\frac{8}{2}=4\).

Ta có

\(2q=8\); \(8q=32\); \(32q=128\neq 64\).

Vậy dãy số đã cho không phải cấp số nhân.

Bài tập 2

Chứng minh mỗi dãy số \(\left(u_n\right)\) với số hạng tổng quát như sau là cấp số nhân:

a. \(u_n=\displaystyle\frac{-3}{4}\cdot 2^n\)

b. \(u_n=\displaystyle\frac{5}{3^n}\);

c. \(u_n=(-0{,}75)^n\).

a. Với mọi \(n\in\mathbb{N}^*\), ta có

\(\begin{aligned}u_{n+1}=\ &\displaystyle\frac{-3}{4}\cdot 2^{n+1}\\ =\ &\displaystyle\frac{-3}{4}\cdot 2^n\cdot2\\ =\ &2u_n.\end{aligned}\)

Vậy dãy số \(\left(u_n\right)\) đã cho là cấp số nhân.

b. Với mọi \(n\in\mathbb{N}^*\), ta có

\(\begin{aligned}u_{n+1}=\ &\displaystyle\frac{5}{3^{n+1}}\\ =\ &\displaystyle\frac{5}{3^n\cdot 3}\\ =\ &\displaystyle\frac{1}{3}u_n.\end{aligned}\)

Vậy dãy số \(\left(u_n\right)\) đã cho là cấp số nhân.

c. Với mọi \(n\in\mathbb{N}^*\), ta có

\(\begin{aligned}u_{n+1}=\ &(-0{,}75)^{n+1}\\ =\ &(-0{,}75)^n\cdot (-0{,}75)\\ =\ &(-0{,}75)u_n.\end{aligned}\)

Vậy dãy số \(\left(u_n\right)\) đã cho là cấp số nhân.

Bài tập 3

Cho cấp số nhân \(\left(u_n\right)\) với số hạng đầu \(u_1=-5\), công bội \(q=2\).

a. Tìm \(u_9\).

b. Số \(-320\) là số hạng thứ bao nhiêu của cấp số nhân trên?

c. Số \(160\) có phải là một số hạng của cấp số nhân trên không?

a. Ta có \(u_9=u_1\cdot q^8 = -5\cdot 2^8=-1280\).

b. Giả sử số \(-320\) là số hạng thứ \(n\) của cấp số nhân trên. Khi đó ta có

\(\begin{aligned}&u_n=-320\\ \Leftrightarrow\ & u_1\cdot q^{n-1} =-320\\ \Leftrightarrow\ & -5 \cdot 2^{n-1} =-320\\ \Leftrightarrow\ & 2^{n-1} = 64\\ \Leftrightarrow\ & 2^{n-1} = 2^6\\ \Leftrightarrow\ & n-1=6\\ \Leftrightarrow\ & n=7.\end{aligned}\)

Vậy số \(-320\) là số hạng thứ \(7\) của cấp số nhân trên.

c. Giả sử số \(160\) là số hạng thứ \(n\) của cấp số nhân trên. Khi đó ta có

\(\begin{aligned}&u_n=160\\ \Leftrightarrow\ & u_1\cdot q^{n-1} =160\\ \Leftrightarrow\ & -5 \cdot 2^{n-1} =160\\ \Leftrightarrow\ & 2^{n-1} = -32.\end{aligned} \)

Vì \(2^{n-1}>0\), \(\forall n\in\mathbb{N}^*\) và \(-32<0\) nên không có giá trị nào của \(n\) thỏa mãn \(u_n=160\).

Vậy số \(160\) không phải số hạng nào của cấp số nhân đã cho.

Bài tập 4

Cho cấp số nhân \(\left(u_n\right)\) với \(u_1=3\), \(u_3=\displaystyle\frac{27}{4}\).

a. Tìm công bội \(q\) và viết năm số hạng đầu của cấp số nhân trên.

b. Tính tổng \(10\) số hạng đầu của cấp số nhân trên.

a. Ta có

\(u_3=\displaystyle\frac{27}{4} \Leftrightarrow u_1q^2=\displaystyle\frac{27}{4}\) \(\Leftrightarrow 3q^2=\displaystyle\frac{27}{4}\) \(\Leftrightarrow q=\pm\displaystyle\frac{3}{2}\).

+) Với \(q=\displaystyle\frac{3}{2}\). Năm số hạng đầu của cấp số nhân đã cho là

\(u_1=3\), \(u_2=u_1q=\displaystyle\frac{9}{2}\), \(u_3=u_2q=\displaystyle\frac{27}{4}\), \(u_4=u_3q=\displaystyle\frac{81}{8}\), \(u_5=u_4q=\displaystyle\frac{243}{16}\).

+) Với \(q=-\displaystyle\frac{3}{2}\). Năm số hạng đầu của cấp số nhân đã cho là

\(u_1=3\), \(u_2=u_1q=-\displaystyle\frac{9}{2}\), \(u_3=u_2q=\displaystyle\frac{27}{4}\), \(u_4=u_3q=-\displaystyle\frac{81}{8}\), \(u_5=u_4q=\displaystyle\frac{243}{16}\).

b.

+) Với \(q=\displaystyle\frac{3}{2}\). Tổng \(10\) số hạng đầu của cấp số nhân đã cho là

\(S_{10}=\displaystyle\frac{u_1(1-q^{10})}{1-q}\) \(=\displaystyle\frac{3\left[1-\left(\displaystyle\frac{3}{2}\right)^{10}\right]}{1-\displaystyle\frac{3}{2}}\) \(=\displaystyle\frac{174075}{512}\approx 340.\)

+) Với \(q=-\displaystyle\frac{3}{2}\). Tổng \(10\) số hạng đầu của cấp số nhân đã cho là

\(S_{10}=\displaystyle\frac{u_1(1-q^{10})}{1-q}\) \(=\displaystyle\frac{3\left[1-\left(-\displaystyle\frac{3}{2}\right)^{10}\right]}{1+\displaystyle\frac{3}{2}}\) \(=-\displaystyle\frac{34815}{512}\approx -68.\)

Bài tập 5

Một tỉnh có \(2\) triệu dân vào năm 2020 với tỉ lệ tăng dân số là \(1\) \%/năm. Gọi \(u_n\) là số dân của tỉnh đó sau \(n\) năm. Giả sử tỉ lệ tăng dân số là không đổi.

a. Viết công thức tính số dân của tỉnh đó sau \(n\) năm kể từ năm 2020.

b. Tính số dân của tỉnh đó sau \(10\) năm kể từ năm 2020.

a. Với \(u_n\) là số dân của tỉnh đó sau \(n\) năm.

Ta có \(u_1=2\) (triệu dân).

\(u_{n+1}=u_n+u_n\cdot 0{,}01 = 1{,}01u_n\).

Do đó, \((u_n)\) là cấp số nhân với số hạng đầu \(u_1=2\) và công bội \(q=1{,}01\).

Vậy công thức tính số dân của tỉnh đó sau \(n\) năm là

\(u_n=u_1q^{n-1}\Rightarrow u_n=2\cdot 1{,}01^{n-1}\).

b. Số dân của tỉnh đó sau \(10\) năm kể từ năm 2020 là \(u_{10}=2\cdot 1{,}01^9 = 2{,}187\) (triệu dân).

Bài tập 6

Một gia đình mua một chiếc ô tô giá \(800\) triệu đồng. Trung bình sau mỗi năm sử dụng, giá trị còn lại của ô tô giảm đi \(4 \%\) (so với năm trước đó).

a. Viết công thức tính giá trị của ô tô sau \(1\) năm, \(2\) năm sử dụng.

b. Viết công thức tính giá trị của ô tô sau \(n\) năm sử dụng.

c. Sau \(10\) năm, giá trị của ô tô ước tính còn bao nhiêu triệu đồng?

Gọi \(u_n\) là giá trị còn lại của ô tô sau \(n\) năm sử dụng.

a. Giá trị của ô tô sau \(1\) năm sử dụng là

\(u_1=800-800\cdot0{,}04=800\cdot0{,}96=768\) triệu đồng.

Giá trị của ô tô sau \(2\) năm sử dụng là

\(u_2=u_1-u_1\cdot0{,}04=u_1\cdot0{,}96=737{,}28\) triệu đồng.

b. Ta có

\(u_n=u_{n-1}-u_{n-1}\cdot0{,}04=u_{n-1}\cdot0{,}96\).

Do đó, \((u_n)\) là cấp số nhân với số hạng đầu \(u_1=768\) và công bội \(q=0{,}96\).

Vậy sau \(n\) năm sử dụng, giá trị còn lại của chiếc ô tô là

\(u_n=u_1q^{n-1}\Rightarrow u_n=768\cdot0{,}96^{n-1}\).

c. Sau \(10\) năm, ước tính giá trị của ô tô còn lại là

\(u_{10}=768\cdot0{,}96^9\approx 531{,}87\) triệu đồng.

Bài tập 7

Một người nhảy bungee (một trò chơi mạo hiểm mà người chơi nhảy từ một nơi có địa thế cao xuống với dây đai an toàn buộc xung quanh người) từ một cây cầu và căng một sợi dây dài \(100\) m. Sau mỗi lần rơi xuống, nhờ sự đàn hồi của dây, người nhảy được kéo lên một quãng đường có độ dài bằng \(75\)\% so với lần rơi trước đó và lại bị rơi xuống đúng bằng quãng đường vừa được kéo lên. Tính tổng quãng đường người đó đi được sau \(10\) lần kéo lên và lại rơi xuống.

Gọi \(u_n\) là quãng đường người đó được kéo lên ở lần thứ \(n\) được kéo lên và lại rơi xuống (đơn vị tính: mét).

Ta có

\(u_1=0{,}75\cdot100=100\cdot1{,}5=75\) m và

\(u_n=0{,}75\cdot u_{n-1}\).

Vậy \((u_n)\) là cấp số nhân với số hạng đầu \(u_1=75\) và công bội \(q=0{,}75\).

Tổng quãng đường người đó đi được sau \(10\) lần kéo lên và lại rơi xuống là

\(\begin{aligned}S=\ &100+2u_1+2u_2+\cdots+2u_{10}\\ =\ &100+2S_{10}\\ =\ &100+2\cdot\displaystyle\frac{75\left(1-0{,}75^{10}\right)}{1-0{,}75}\\ \approx\ &666{,}2 \text{ m}.\end{aligned}\)