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Progressioni geometriche

an = an-1 ´ q

Il cavallo stanco
Un cavallo ha percorso 700 miglia in 7 giorni, dimezzando la sua velocità ogni giorno.
Quanto ha percorso ogni giorno?
Zhang Qiujian Suan Jing

Dilapidare la ricchezza
Un uomo possiede inizialmente 100 denari e spende ogni giorno 1/10 di ciò che ha.
Con quanto rimane dopo 12 giorni?
Fibonacci. 1202

Il viaggiatore
Un uomo percorre 1, 3, 9, ... leghe in giorni successivi.
Continuando a questo ritmo, quante leghe percorrerà in 5 giorni e mezzo?
Chuquet, 1484

La botte che si svuota
Una botte contiene una quantità di vino pari a 9,5 barili.
Il suo contenuto viene trasferito nei barili in modo tale che:
il primo barile si riempie in 1 ora;
il secondo barile si riempie in 2 ore;
il terzo barile si riempie in 4 ore;
e così via, raddoppiando ogni volta il tempo.
Quanto tempo è necessario per svuotare la botte?
Chuquet, 1484

Progressioni bibliche
Tratto da Jacques Ozanam, Recreations..., Paris, 1778, Tome 1.

Gli ebrei in Egitto
Si parte con 210 persone.
Ogni 25 anni, la popolazione triplica.
Quante persone ci saranno dopo 225 anni?
Ozanam, 1778

Adamo ed Eva
Si parte con una coppia: Adamo ed Eva.
Supponiamo che la popolazione umana raddoppi ogni 20 anni.
La bibbia ci dice che Adamo visse 900 anni.
Quanti nipoti, pronipoti, etc. poté vedere Adamo circa alla metà della sua vita, cioè quando aveva 500 anni?
Ozanam, 1778

Nota storica

Note storiche tratte dalle: SOURCES IN RECREATIONAL MATHEMATICS AN ANNOTATED BIBLIOGRAPHY di David Singmaster

H. V. Hilprecht. Mathematical, Metrological and Chronological Tablets from the Temple Library of Nippur. Univ. of Pennsylvania, Philadelphia, 1906. Pp. 13, 28-34, 62, 69, pl. 15, PL. IX, are about a tablet which has a geometric progression from c-2300. The progression is double: an = 125 * 2n and 604/an for n = 0, 1, ..., 7. There is no summation.

Tablet K 90 of the British Museum. A moon tablet deciphered by Hincks containing 5, 10, 20, 40, 80 followed by 80, 96, 112, 128, ..., 240. Described in The Literary Gazette (5 Aug 1854) _ ??NYS. Cited and described in: Nicomachus of Gerasa: Introduction to Arithmetic; Translated by Martin Luther D'Ooge, with notes by Frank Egleston Robbins and Louis Charles Karpinski; Macmillan, London, 1926; p. 12.

Euclid. IX: 35, 36. This gives the general rule for the sum of a geometric progression.

Zhang Qiujian . Zhang Qiujian Suan Jing. Op. cit. in 7.E. 468, ??NYS. Mikami 42 gives: "A horse, halving its speed every day, runs 700 miles in 7 days. What are his daily journeys?" _ i.e. x*(1 + 1/2 + ... + 1/64) = 700. Solved by adding up.

Mahavira. 850.

Chap. IV, v. 28, p. 74: x - x/2 - x/4 - ... - x/256 = 32.

Chap. VI, v. 314, pp. 175-176: Let ai+1 = r*ai + c. He sums such terms.

Fibonacci. 1202. Pp. 313-316. Man has 100 and gives away 1/10 of his wealth 12 times. This has been described under 7.E.

Columbia Algorism. c1370. Prob. 63, pp. 84-85. Same as the Fibonacci, but he converts to pounds, shillings and pence!

Lucca 1754. c1390. F. 10v, pp. 36-37. Computes 240 & 2100 by repeated squaring.

Chuquet. 1484. He gives a number of such problems _ see also 7.E.

Prob. 96, English in FHM 219. Cask of 9½ drains so first barrel takes 1 hour, second barrel takes 2 hours, third barrel takes 4 hours, .... How long to empty? I.e. he wants the sum of 9½ terms of a geometric progression. He gets the correct answer of 29.5 - 1 hours.

Prob. 97, English in FHM 219. Man travels 1, 3, 9, ... leagues per day. How far has he travelled in 5½ days? He gets the correct answer of (35.5-1)/2 days.

Ghaligai. Practica D'Arithmetica. 1521. Prob. 29, f. 66v. Same as Fibonacci, pp. 313-316. (H&S 59-60.)

Buteo. Logistica. 1559.

Prob. 69, pp. 276-278. 1 + .9 + (.9)2 + ... + (.9)x = 7.5. The phrasing of the problem is unclear, but this is what he considers. He interpolates linearly between 12 and 13, getting 12.164705107, while the exact answer is (log .25/log .9) - 1 = 12.15762696.

Prob. 84, pp. 294-296. Relates 2i and 5i for i = 1, ..., 7. He determines 23.5 as Ö128 which he estimates as 11_. Similarly he estimates 53.5 as 279.

Jacques Chauvet Champenois. Les Institutions de L'Arithmetique. Hierosme de Marnef, Paris, 1578, p. 70. ??NYS. Problem of tailor and robe involving 4888 divided by 2 twenty times. (French quoted in H&S 14-15.)

van Etten. 1624. Prob. 87 (84): Des Progressions & de la prodigieuse multiplication des animaux, des Plantes, des fruicts de l'or & de l'argent quand on va tousjours augmentant par certaine proportion, pp. 111-118 (177-183). Numerous examples including horseshoe problem and chessboard problem, with ratios 1000, 4, 50. Henrion's Notte, p. 38, observes that there are many arithmetical errors which the reader can easily correct. In part X: Multiplication des Hommes, he considers one of the children of Noah, says a generation takes 30 years and that, when augmented to the seventh, one family can easily produce 800,000 souls. The 1674 English ed. has: "... if we take but one of the Children of Noah, and suppose that a new Generation of People begin at every 30 years, and that it be continued to the Seventh Generation, which is 200 years; ... then of one only Family there would be produced 111000 Souls, 305 to begin the World: ... which number springing onely from a simple production of one yearly ...."

Leybourn. Pleasure with Profit. 1694. Chap. VI, pp. 24-28: Of the Increase of Swine, Corn, Sheep, &c. Examples with ratios 4, 40, 2, 1000, 2, mostly taken from van Etten. Then art. VI: Of Men, discusses the repopulation of the world from Noah's children: "... if we take but one of the Children of Noah, and suppose that a New Generation of People begin at every 30 years, and that it be continued to the seventh Generation, which is 210 years; ... then, of one ony family there would be produced 111305, that is, One hundred and eleven thousand, three hundred and five Souls to begin the World .... ... such a number arising only from a simple production of only One yearly ...." I cannot work out how 111305 arises _ the fact that he spells it out makes it unlikely to be a misprint.

Ozanam. 1694. Prob. 8, 1696: 33-35; 1708: 29-32. Prob. 11, 1725: 68-75. Section II, 1778: 68-74; 1803: 70-76; 1814: ??NYS; 1840: 34-36. A discussion of geometric progression and a mention of 1, 2, 4, .... 1778 et seq also mention 1, 3, 9, ....

Ozanam. 1725. Prob. 11, questions 6 & 7, 1725: 79-82. Prob. 3, parts 1-3, 1778: 80-82; 1803: 82-84; 1814: 72-75; 1840: 38-39. Examples of population growth in Biblical and biological contexts. In 1725, he has ratios of 2, 50, 3, 4, 1000, The examples vary a bit between 1725 and 1778.

Walkingame. Tutor's Assistant. 1751. The section Geometrical Progression gives several problems with powers of 2 and the following less common types.

Prob. 5, 1777: p. 95; 1835: p. 103; 1860: p. 123. Find 1 + 4 + 16 + ... + 411 farthings.

Prob. 8, 1777: p. 96; 1835: p. 104; 1860: p. 123. Find 2 + 6 + 18 + ... + 2 x 321. If these are pins, worth 100 to the farthing, what is the value?

Vyse. Tutor's Guide. 1771? The section Geometrical Progression, pp. 146-151 & Key pp. 190-192, gives several examples with doublings and triplings as well as examples with ratios of 3/2 and 10. There is a major error in the solution of prob. 7, to find 2 + 6 + 18 + ... + 2 x 319.

Pike. Arithmetic. 1788. Pp. 237-239. Numerous fairly standard examples, mostly doubling, but with examples of powers of 3 and of 10 and the following.

Pp. 239-240, no. 8. One farthing placed at 6% compound interest in year 0 is worth what after 1784 years? And supposing a cubic inch of gold is worth £53 2s 8d, how much gold does this make? This is very close to 2150 farthings and makes about 4 x 1014 solid gold spheres the size of the earth!

Eadon. Repository. 1794. P. 241, ex. 3. Doubling 20 times from a farthing.

John King, ed. John King 1795 Arithmetical Book. Published by the editor, who is the great-great-grandson of the 1795 writer, Twickenham, 1995. P. 100. 10 + 102 + ... + 1011 grains of wheat, converted to bushels and value at 4s per bushel.

(Beeton's) Boy's Own Magazine 3:6 (Jun 1889) 255 & 3:8 (Aug 1889) 351. (This is undoubtedly reprinted from Boy's Own Magazine 1 (1863).) Mathematical question 59. Seller of 12 acres asks 1 farthing for the first acre, 4 for the second acre, 16 for the third acre, .... Buyer offers £100 for the first acre, £150 for the second acre, £200 for the third acre, .... What is the difference in the prices asked and offered? Also entered in 7.AF.


Risposte & riflessioni

Teoria minima

Definizione.
Si dice progressione geometrica (o per quoziente) una successione di numeri tale che sia costante la quoziente fra un qualunque numero e il suo predecessore.

Esempio:

3, 6, 12, 24, ...

6/3 = 2
12/6 = 2
24/12 = 2
...

I termini successivi di una progressione si possono indicare così (lettere minuscole con indice):
a1 , a2 , a3 , ..., an , ...

a1 è il primo termine della progressione.

Il quoziente costane costante, che nell'esempio numerico è 2, si chiama ragione della progressione geometrica e si indica con q.

Possiamo quindi definire una progressione così:
a
n = an-1 ´ q

Formula per calcolare il termine n-esimo di una progressione geometrica conoscendo il primo termine e la ragione.
an= a1 ´ qn-1

Formula per calcolare la somma dei primi n termini di una progressione geometrica.
S = a
1(qn - 1)/(q-1)

Formula per calcolare il prodotto dei primi n termini di una progressione geometrica.
P =
±Ö(a1 ´ an)n

Il cavallo stanco
Un cavallo ha percorso 700 miglia in 7 giorni, dimezzando la sua velocità ogni giorno.
Quanto ha percorso ogni giorno?

Se dimezza la velocità, allora dimezza anche gli spazi percorsi ogni giorno.
Quindi si tratta di trovare una x tale che:
x*(1 + 1/2 + ... + 1/64) = 700
Entro parentesi abbiamo una progressione geometrica da 1 a 1/64, formata da 7 termini e di ragione 1/2.

La somma quindi vale:
S = (1 + 1/2 + ... + 1/64) = 1((1/2)7 - 1)/(1/2-1)
(1/128-1)/(1/2-1) = (127/128) / (1/2) = 127/64

Dunque x vale:
x = 700 * 64/127 = 44800/127 pari a circa 352,76 miglia

Una piccola verifica:
44800/127 + 22400/127 + 11200/127 + 5600/127 + 2800/127 + 1400/127 + 700/127 =
= 88900/127 = 700

Dilapidare la ricchezza
(Ringrazio Andrea Parente per aver corretto un errore nella seguente soluzione)
Un uomo possiede inizialmente 100 denari e spende ogni giorno 1/10 di ciò che ha.
Con quanto rimane dopo 12 giorni?

Il primo giorno spende 100/10 = 10 denari e rimane con 90 denari.
Il secondo giorno spende 90/10 = 9 denari e rimane con 81 denari.
...
Ciò che spende ogni giorno è dato da una progressione geometrica che parte da 10 e che ha come ragione 9/10 = 0,9.

In 12 giorni spenderà:
S = a1(qn - 1)/(q-1) = 10*(0,912 - 1)/(0,9-1) =
= 10*(-0,717570463519)/(-0,1) = 71,7570463519 denari

e rimarrà con: 28,2429536481 denari.

Il viaggiatore
Un uomo percorre 1, 3, 9, ... leghe in giorni successivi.
Continuando a questo ritmo, quante leghe percorrerà in 5 giorni e mezzo?

Le distanze percorse ogni giorno formano una progressione geometrica di ragione 3, che inizia con 1.
Per risolvere il problema compiliamo la seguente tabella.

Giorno 1 2 3 4 5 5 e mezzo 6
Leghe del giorno 1 3 9 27 81 88,944 243
Totali parziali 1 4 13 40 121 209,944 364

1° Soluzione (interpolazione lineare).
Potremmo dire che in mezza giornata percorre la metà del tragitto che avrebbe percorso nel 6° giorno.
243/2 = 121,5 leghe.

In questo caso la somma sarebbe 121 + 121,5 = 242,5 leghe.

Questa soluzione è corretta se l'uomo, all'inizio di ogni giornata, cambia la sua velocità e la mantiene costante per tutto il giorno.

2° soluzione (esatta?)
Ma se invece supponiamo che l'uomo viaggi con una accelerazione costante per tutti i 6 giorni dobbiamo applicare la formula della somma estendendola agli esponenti decimali.

S = a1(qn - 1)/(q-1)

S = 1(35,5 - 1)/(3-1) = (355/10 - 1)/2 = (311/20 - 1)/2 = circa 209,944 leghe

La botte che si svuota
Una botte contiene una quantità di vino pari a 9,5 barili.
Il suo contenuto viene trasferito nei barili in modo tale che:
il primo barile si riempie in 1 ora;
il secondo barile si riempie in 2 ore;
il terzo barile si riempie in 4 ore;
e così via, raddoppiando ogni volta il tempo.
Quanto tempo è necessario per svuotare la botte?

In pratica dobbiamo trovare la somma di 9,5 termini di una progressione geometrica di ragione 2, il cui primo termine è 1.
La risoluzione è simile a quella precedente.

S = a1(qn - 1)/(q-1)

S = 1*(29,5 - 1)/(2-1) = 29,5 - 1 = 723,077 ore circa.

Gli ebrei in Egitto
Si parte con 210 persone.
Ogni 25 anni, la popolazione triplica.
Quante persone ci saranno dopo 225 anni?

In 225 anni ci sono 225/25 = 9 generazioni.
Dobbiamo quindi trovare il nono termine di una progressione geometrica di ragione 3 il cui primo termine vale 210

an= a1 ´ qn-1

a9= 210 ´ 38 = 1 377 810

Adamo ed Eva
Si parte con una coppia: Adamo ed Eva.
Supponiamo che la popolazione umana raddoppi ogni 20 anni.
La bibbia ci dice che Adamo visse 930 anni.
Quanti nipoti, pronipoti, etc. poté vedere Adamo all'incirca alla metà della sua vita, cioè quando aveva 500 anni?

Per ottenere la soluzione di Ozanam forse occorre supporre che Adamo ebbe il primo figlio a 100 anni di età.
Dunque, in 400 anni ci sono 400/20 = 20 generazioni.
Dobbiamo quindi trovare il 20° termine di una progressione geometrica di ragione 2 il cui primo termine vale 2

a20= 2 ´ 219 = 1 048 576


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