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miércoles, 14 de septiembre de 2022

Producto de los $n$ primeros términos de una sucesión geométrica

Consideremos los $n$ primeros términos de una sucesión geométrica de razón $r$:   $a_1$
  $a_2=a_1\,r$
  $a_3=a_2\,r=a_1\,r^2$
  $a_4=a_3\,r=a_1\,r^3$
  $\ldots$
  $a_n=a_{n-1}\,r=a_1\,r^{n-1}$
Vamos a justificar que el producto de los $n$ primeros términos viene dada por $$\displaystyle \prod_{i=1}^{n}\,a_i=\sqrt{(a_1\,a_n)^n}$$

En efecto, en toda sucesión geométrica se cumple que $a_1\cdot a_n=a_2\cdot a_{n-1}=a_3\cdot a_{n-2}=\ldots$

  Escrbiendo el producto con los factores en orden directo e inverseo, y multiplicando miembro a miembro (1) y (2): $$\displaystyle \prod_{i=1}^{n}\,a_i=a_1\cdot a_2 \cdot a_2 \cdot \ldots \cdot a_{n-1}\cdot a_n \quad \quad (1)$$ $$\displaystyle \prod_{i=1}^{n}\,a_i=a_n\cdot a_{n-1} \cdot a_{n-2} \cdot \ldots \cdot a_{2}\cdot a_1 \quad \quad (2)$$
se tiene que $$(\displaystyle \prod_{i=1}^{n}\,a_i)^2=(a_1\cdot a_{n}) \cdot (a_2 \cdot a_{n-1})\cdot \ldots \cdot (a_{a_n}\cdot a_1)=(a_{a_1}\cdot a_n)^{n/2} \Rightarrow \displaystyle \prod_{i=1}^{n}\,a_i=\left((a_1\cdot a_n)^{n}\right)^{1/2}=\sqrt{(a_{a_1}\cdot a_n)^{n}}$$ Nótese que, si el $n$ es par —podría pensarse que el razonamiento falla en el caso de que haya un número impar de términos—, se forman $n/2$ pares de esos factores cuyo producto es igual para todos ellos; y, en el caso de que sea impar, el término central $a_{(n+1)/2}$ se puede expresar como $\sqrt{a_{(n+1)/2}\cdot a_{(n+1)/2}}$, dando lugar a una sucesión equivalente con el término $a_{(n+1)/2}$ repetido, por tanto, la sucesión resultante equivale a la sucesión original, pero ésta constará ahora de un número par de términos.
$\diamond$

Suma de los primeros $n$ términos consecutivos de una sucesión geométrica

Consideremos los $n$ primeros términos de una sucesión geométrica de razón $r$:   $a_1$
  $a_2=a_1\,r$
  $a_3=a_2\,r=a_1\,r^2$
  $a_4=a_3\,r=a_1\,r^3$
  $\ldots$
  $a_n=a_{n-1}\,r=a_1\,r^{n-1}$
Vamos a justificar que la suma de los $n$ primeros términos viene dada por $$S_n=a_1\cdot\dfrac{r^n-1}{r-1}$$

En efecto, $S_n=a_1+a_2+\ldots+a_n=$
  $=a_1+r\,a_1+r\,a_2+\ldots+r\,a_{n-1}$
    $=a_1+r\,(a_1+a_2+\ldots+a_{n-1})$
      $=a_1+r\,(S_n-a_n)$
Así pues, $S_n=a_1+r\cdot(S_n-a_n)$, con lo cual $S_n-r\cdot S_n=a_1-r\cdot a_n$ y como $a_n=a_1\cdot r^{n-1}$, se tiene que
$S_n-r\cdot S_n=a_1-r\cdot a_1\cdot r^{n-1}$, esto es, $S_n\cdot (1-r)=a_1\cdot(1-r\cdot r^{n-1})=a_1\cdot(1-r^n)$, y despejando $S_n$, $$S_n=a_1\cdot \dfrac{1-r^n}{1-r}$$ que es lo mismo que $$S_n=a_1\cdot\dfrac{r^n-1}{r-1} \quad \quad (1)$$ $\diamond$

Observación (Suma de infinitos términos)

Es claro que la suma de infinitos términos solamente convergerá si $|r|\lt 1$. En tales condiciones, basta con pasar al límite la expresión (1) para $n\rightarrow \infty$: $$\displaystyle S_{\infty}=\lim_{n\,\rightarrow\,\infty}\,a_1\cdot\dfrac{r^n-1}{r-1} =\dfrac{a_1}{1-r}\quad \quad (2)$$