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Folgen und Reihen

Geometrische Reihe: Summenformel, Konvergenz und Beispiele

Die Summenformel der geometrischen Reihe, warum sie nur für |r| < 1 konvergiert, wie sich Partialsummen verhalten und periodische Dezimalzahlen als Brüche.

Vom PracticeCalculus-Team Veröffentlicht 7 Min. Lesezeit

Auf dieser Seite
  1. Was ist eine geometrische Reihe?
  2. Die Summenformel der geometrischen Reihe
  3. Wann konvergiert eine geometrische Reihe?
  4. Wie sich die Partialsummen dem Grenzwert nähern
  5. Rechenbeispiel 1: eine Summe, die bei n = 1 beginnt
  6. Rechenbeispiel 2: ein negativer Quotient
  7. Rechenbeispiel 3: eine divergente Reihe
  8. Rechenbeispiel: eine endliche geometrische Summe
  9. Periodische Dezimalzahlen als geometrische Reihen
  10. Ein Beispiel aus dem Alltag: der springende Ball
  11. Von geometrischen Reihen zu Potenzreihen
  12. Typische Fehler bei geometrischen Reihen
  13. Kurzübersicht
  14. Üben, bis die Formel automatisch sitzt

Addiere 1 + \frac12 + \frac14 + \frac18 + \cdots für immer. Unendlich viele positive Glieder, und trotzdem überschreitet die Summe nie 2. Geometrische Reihen sind die einzige Art unendlicher Summen, die du mit einer einzigen Formel exakt aufsummieren kannst, und sie sind die Grundlage für alles Weitere beim Thema Reihen, von Konvergenzkriterien bis zu Potenzreihen.

Was ist eine geometrische Reihe?

Eine geometrische Reihe ist eine Summe, bei der jedes Glied das vorherige Glied multipliziert mit einer festen Zahl r ist, dem Quotienten:

\sum_{n=0}^{\infty} a r^n = a + ar + ar^2 + ar^3 + \cdots

Dabei ist a das erste Glied. Um r zu finden, teilst du ein beliebiges Glied durch das vorherige. Bei 1 + \frac12 + \frac14 + \cdots ist das erste Glied a = 1 und der Quotient r = \frac12.

Die Summenformel der geometrischen Reihe

Die n-te Partialsumme addiert die ersten n Glieder:

S_n = a + ar + \cdots + ar^{n-1} = \frac{a(1 - r^n)}{1 - r} \qquad (r \ne 1)

Die unendliche Summe ist der Grenzwert von S_n für n \to \infty. Ist |r| < 1, dann gilt r^n \to 0, und die Partialsummen pendeln sich ein:

\sum_{n=0}^\infty ar^n = \frac{a}{1-r} \qquad \text{für } |r| < 1

Eine praktische Eselsbrücke: Summe = erstes Glied durch eins minus Quotient.

Woher die Formel kommt

Schreib S_n aus, multipliziere mit r und subtrahiere:

S_n = a + ar + ar^2 + \cdots + ar^{n-1}
rS_n = ar + ar^2 + \cdots + ar^{n-1} + ar^n

Alle mittleren Glieder heben sich auf, übrig bleibt S_n - rS_n = a - ar^n. Ausklammern und teilen:

S_n(1 - r) = a(1 - r^n) \quad\Longrightarrow\quad S_n = \frac{a(1-r^n)}{1-r}

Diesen Subtraktionstrick solltest du dir merken. Er funktioniert bei endlichen und unendlichen geometrischen Summen gleichermaßen.

Wann konvergiert eine geometrische Reihe?

Alles hängt vom Betrag von r ab:

Quotient Was r^n macht Die Reihe
\lvert r\rvert < 1 schrumpft gegen 0 konvergiert gegen \frac{a}{1-r}
r = 1 bleibt 1 divergiert (a + a + a + \cdots)
r = -1 springt zwischen 1 und -1 divergiert (Partialsummen springen hin und her)
\lvert r\rvert > 1 wächst unbegrenzt divergiert

(Wir nehmen durchgehend a \ne 0 an.) Eine geometrische Reihe konvergiert also genau dann, wenn |r| < 1 ist. Wegen dieser klaren Regel dienen geometrische Reihen als Vergleichsmaßstab beim Vergleichs- und Quotientenkriterium.

Wie sich die Partialsummen dem Grenzwert nähern

Für 1 + \frac12 + \frac14 + \cdots liefert die Formel für die Partialsummen S_n = \frac{1 - (1/2)^n}{1 - 1/2} = 2 - 2\left(\frac12\right)^n. Die ersten Werte sind 1, 1.5, 1.75, 1.875, 1.9375. Jeder schließt die Hälfte der verbleibenden Lücke zu 2.

Partialsummen von 1 + 1/2 + 1/4 + ... nähern sich 2
Die Punkte sind die Partialsummen S_n = 2 - 2\left(\frac12\right)^n. Sie steigen auf die gestrichelte Linie y = 2 zu, die Summe der Reihe, überschreiten sie aber nie.

Ist r negativ, pendeln die Partialsummen um den Grenzwert, statt auf ihn zuzusteigen. Bei 1 - \frac12 + \frac14 - \frac18 + \cdots (mit r = -\frac12) sind die Partialsummen 1, 0.5, 0.75, 0.625, 0.6875, \dots, sie springen also über und unter die Summe \frac{1}{1 + 1/2} = \frac23.

Partialsummen von 1 − 1/2 + 1/4 − ... pendeln um 2/3
Mit r = -\frac12 schießen die Partialsummen über die Summe \frac23 hinaus und bleiben darunter, kommen ihr aber jedes Mal näher.

Rechenbeispiel 1: eine Summe, die bei n = 1 beginnt

Bestimme \sum_{n=1}^{\infty} 3\left(\frac25\right)^n.

Schritt 1. Das erste Glied bestimmen. Setze n = 1 ein: a = 3\cdot\frac25 = \frac65.

Schritt 2. Den Quotienten bestimmen. Jedes Glied wird mit \frac25 multipliziert, also ist r = \frac25.

Schritt 3. Konvergenz prüfen. |r| = \frac25 < 1, die Reihe konvergiert also.

Schritt 4. Die Formel anwenden.

\sum_{n=1}^\infty 3\left(\frac25\right)^n = \frac{6/5}{1 - 2/5} = \frac{6/5}{3/5} = 2

Rechenbeispiel 2: ein negativer Quotient

Bestimme \sum_{n=0}^{\infty} \frac{(-2)^n}{3^{n+1}}.

Schritt 1. In Standardform bringen. \frac{(-2)^n}{3^{n+1}} = \frac13\cdot\frac{(-2)^n}{3^n} = \frac13\left(-\frac23\right)^n.

Schritt 2. a und r ablesen. Bei n = 0 ist das Glied \frac13, also a = \frac13 und r = -\frac23.

Schritt 3. Prüfen. |r| = \frac23 < 1. Sie konvergiert.

Schritt 4. Summieren.

\frac{1/3}{1 - (-2/3)} = \frac{1/3}{5/3} = \frac15

Rechenbeispiel 3: eine divergente Reihe

Konvergiert \sum_{n=0}^\infty \frac{3^n}{2^n}?

Das ist eine geometrische Reihe mit a = 1 und r = \frac32. Da |r| > 1 ist, wachsen die Glieder, und die Reihe divergiert. Einsetzen in \frac{a}{1-r} würde \frac{1}{1 - 3/2} = -2 ergeben, eine bedeutungslose Antwort. Prüfe immer |r| < 1, bevor du die Formel verwendest.

Rechenbeispiel: eine endliche geometrische Summe

Die Formel für die Partialsummen funktioniert für jede endliche geometrische Summe, sogar für |r| > 1. Bestimme 2 + 6 + 18 + \cdots + 2\cdot 3^9.

Schritt 1. a, r und n bestimmen. Das erste Glied ist a = 2, der Quotient ist r = 3, und die Exponenten laufen von 0 bis 9, es gibt also n = 10 Glieder.

Schritt 2. S_n = \frac{a(1-r^n)}{1-r} anwenden.

S_{10} = \frac{2(1 - 3^{10})}{1 - 3} = \frac{2(1 - 59{,}049)}{-2} = 59{,}048

Die Hauptfalle ist hier das richtige Zählen der Glieder: Von 3^0 bis 3^9 sind es zehn Glieder, nicht neun.

Periodische Dezimalzahlen als geometrische Reihen

Jede periodische Dezimalzahl ist insgeheim eine geometrische Reihe, und deshalb ist jede periodische Dezimalzahl ein Bruch.

Rechenbeispiel 4: 0,272727...

0.\overline{27} = \frac{27}{100} + \frac{27}{10{,}000} + \frac{27}{1{,}000{,}000} + \cdots

Hier ist a = \frac{27}{100} und r = \frac{1}{100}, also

0.\overline{27} = \frac{27/100}{1 - 1/100} = \frac{27/100}{99/100} = \frac{27}{99} = \frac{3}{11}

Rechenbeispiel 5: 0,999... ist gleich 1

0.\overline{9} = \frac{9}{10} + \frac{9}{100} + \cdots = \frac{9/10}{1 - 1/10} = \frac{9/10}{9/10} = 1

Das ist keine Näherung. Die unendliche Dezimalzahl und 1 sind dieselbe Zahl.

Rechenbeispiel 6: eine Dezimalzahl, deren Periode später beginnt

Schreib 1.2\overline{3} = 1.2333\ldots als Bruch.

Trenne den nicht periodischen Teil ab: 1.2333\ldots = 1.2 + 0.0333\ldots. Der periodische Teil ist geometrisch mit a = \frac{3}{100} und r = \frac{1}{10}:

0.0\overline{3} = \frac{3/100}{1 - 1/10} = \frac{3/100}{9/10} = \frac{3}{90} = \frac{1}{30}

Also ist 1.2\overline{3} = \frac{6}{5} + \frac{1}{30} = \frac{36}{30} + \frac{1}{30} = \frac{37}{30}.

Ein Beispiel aus dem Alltag: der springende Ball

Ein Ball wird aus 10 Metern Höhe fallen gelassen, und jeder Sprung erreicht \frac34 der vorherigen Höhe. Welche Strecke legt er insgesamt zurück?

Schritt 1. Der erste Fall beträgt 10 Meter.

Schritt 2. Die Rücksprünge. Der Ball steigt auf 7.5 m, dann auf 5.625 m und so weiter, eine geometrische Reihe mit a = 7.5 und r = \frac34. Ihre Summe ist \frac{7.5}{1 - 3/4} = 30 Meter.

Schritt 3. Jeden Rücksprung doppelt zählen, einmal nach oben und einmal nach unten: 2 \cdot 30 = 60 Meter.

Schritt 4. Gesamt: 10 + 60 = 70 Meter, obwohl der Ball unendlich oft springt.

Von geometrischen Reihen zu Potenzreihen

Ersetze den Quotienten durch eine Variable, und die Summenformel wird zu einer Aussage über Funktionen:

\frac{1}{1-x} = 1 + x + x^2 + x^3 + \cdots \qquad \text{für } |x| < 1

Diese eine Identität ist der Keim der Potenzreihen. Setze -x für x ein, und du erhältst \frac{1}{1+x} = 1 - x + x^2 - \cdots. Setze -x^2 ein, und du erhältst \frac{1}{1+x^2} = 1 - x^2 + x^4 - \cdots, was gliedweise integriert die Reihe für \arctan x ergibt. Die Bedingung |x| < 1 kommt direkt aus |r| < 1, und sie ist das erste Beispiel für ein Konvergenzintervall.

Typische Fehler bei geometrischen Reihen

  1. Das falsche erste Glied verwenden. Beginnt die Summe bei n = 1 oder höher, ist a das erste Glied, das du tatsächlich addierst, nicht der Koeffizient davor.
  2. Die Formel für |r| \ge 1 anwenden. Die Formel gilt nur für konvergente Reihen. Eine negative "Summe" aus positiven Gliedern ist ein Warnsignal.
  3. Den Quotienten falsch ablesen. Bei \frac{2^n}{3^{n+1}} ist der Quotient \frac23, nicht \frac{2}{3^{n+1}}. Schreib die Glieder zuerst als a\cdot r^n.
  4. Das Vorzeichen in 1 - r vergessen. Mit r = -\frac23 ist der Nenner 1 + \frac23.
  5. Folge und Reihe verwechseln. Die Glieder \left(\frac12\right)^n gehen gegen 0. Ihre Summe geht gegen 2.

Kurzübersicht

Größe Formel
Allgemeines Glied ar^n (beginnend bei n = 0)
Quotient r = \frac{\text{Glied}_{n+1}}{\text{Glied}_n}
n-te Partialsumme S_n = \frac{a(1-r^n)}{1-r}
Unendliche Summe, \lvert r\rvert < 1 \frac{a}{1-r}
Divergiert für \lvert r\rvert \ge 1

Üben, bis die Formel automatisch sitzt

Geometrische Reihen tauchen immer wieder auf: beim Quotientenkriterium, in Vergleichsargumenten und als Ausgangspunkt für Potenzreihen. Wer a und r schnell findet, profitiert davon für den Rest des Kurses. Die interaktive Lektion unten gibt dir zu jedem Schritt sofort Rückmeldung, sodass ein falsches erstes Glied oder ein Vorzeichenfehler direkt auffällt.

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Häufig gestellte Fragen

Wie lautet die Summenformel der geometrischen Reihe?

Ist das erste Glied a und der Quotient r mit |r| < 1, dann ist die unendliche Summe \frac{a}{1-r}. Bei endlich vielen Gliedern ist die Summe der ersten n Glieder \frac{a(1-r^n)}{1-r}.

Woran erkennt man, ob eine geometrische Reihe konvergiert?

Bestimme den Quotienten r, indem du ein beliebiges Glied durch das vorherige teilst. Die Reihe konvergiert für |r| < 1 und divergiert für |r| \ge 1. Andere Fälle gibt es nicht, deshalb sind geometrische Reihen die am leichtesten einzuordnenden Reihen.

Warum ist 0,999... gleich 1?

Schreib 0.999\ldots als \frac{9}{10} + \frac{9}{100} + \frac{9}{1000} + \cdots, eine geometrische Reihe mit a = \frac{9}{10} und r = \frac{1}{10}. Ihre Summe ist \frac{9/10}{1 - 1/10} = \frac{9/10}{9/10} = 1. Die unendliche Dezimalzahl ist genau 1, nicht nur nahe daran.

Was ist der Unterschied zwischen einer geometrischen Folge und einer geometrischen Reihe?

Eine geometrische Folge ist eine Liste von Zahlen wie 1, \frac12, \frac14, \frac18, \ldots, bei der jedes Glied das vorherige mal r ist. Eine geometrische Reihe ist die Summe dieser Glieder, 1 + \frac12 + \frac14 + \cdots, hier also 2.

Wie findet man das erste Glied, wenn die Summe bei n = 1 beginnt?

Setze den Startindex in die Formel für die Glieder ein. Bei \sum_{n=1}^\infty 3\left(\frac25\right)^n ist das erste Glied 3\cdot\frac25 = \frac65, nicht 3. Ein falsches erstes Glied ist der häufigste Fehler bei der Summenformel.

Geschrieben vom PracticeCalculus-Team

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