Differenzenreihe

Die Differenzenfolge (manchmal auch Differenzenreihe, obwohl es keine Reihe im üblichen Sinne ist) einer gegebenen Zahlenfolge entsteht in der Mathematik durch Bilden der Differenzen von je zwei benachbarten Folgengliedern.

In Formeln ausgedrückt: Ist $(a_n)_{n\ge0}$ eine gegebene Folge in einem geeigneten Rechenbereich, in dem man Differenzen bilden kann, so ist durch

$d_n := a_{n+1}-a_n, \qquad n\ge0$

die ihre Differenzenfolge definiert. Ein Beispiel für wiederholtes Bilden der Differenzenfolge:

$\begin{align} (a_n)_{n\ge0} & = (4, 7, 11, 18, 31, 54, 92, 151, \ldots) &\quad& \text{mit} \, a_n = \frac{96+70n-n^2+2n^3+n^4}{24} \\ (d_n)_{n\ge0} & = (3, 4, 7, 13, 23, 38, 59, \ldots ) &\quad& \text{mit} \, d_n = \frac{18+2n+3n^2+n^3}{6} \\ (d_n^{(2)})_{n\ge0} & = (1, 3, 6, 10, 15, 21, \ldots) &\quad& \text{mit} \, d^{(2)}_n = \frac{n+n^2}{2} \\ (d_n^{(3)})_{n\ge0} & = (2, 3, 4, 5, 6, \ldots) &\quad& \text{mit} \, d^{(3)}_n =n+2 \\ (d_n^{(4)})_{n\ge0} & = (1, 1, 1, 1, \ldots ) &\quad& \text{mit} \, d^{(4)}_n = 1 \\ (d_n^{(5)})_{n\ge0} & = (0, 0, 0, \ldots ) &\quad& \text{mit} \, d^{(5)}_n =0 \end{align}$

Alle weiteren Differenzenfolgen sind ebenfalls konstant 0

Eigenschaften

Bildet man von einer Folge, die durch ein Polynom angegeben werden kann, wiederholt die Differenzenfolge, sind irgendwann alle weiteren Differenzenfolgen Nullfolgen.

Genauer gesagt: Die Differenzenfolge eines Polynoms k-ten Grades ist vom Grad k - 1.

Nach Newton lässt sich jede Folge auch mit ihren Differenzenfolgen (genauer gesagt, mit dem ersten Folgeglied jeder Differenzenfolge) darstellen:

$a_n=a_0+n\cdot d_0+{n\choose 2}d^{(2)}_0+{n\choose 3}d^{(3)}_0+{n\choose 4}d^{(4)}_0+{n\choose 5}d^{(5)}_0+\ldots =a_0+\sum_{k=1}^{\infty} {n \choose k}d^{(k)}_0$

mit den Binomialkoeffizienten $\textstyle{{n \choose k}}$. Bei Polynomfunktionen ist dies keine unendliche Reihe, da für alle hinreichend großen k die Differenzenfolgen konstant 0 sind.

Für nicht alle Folgen sind irgendwann alle Differenzenfolgen Nullfolgen: Betrachten wir die geometrische Folge $\!\ a_n = 2^n$ so erhalten wir

$(a_n)=(1, 2, 4, 8, 16, 32, \ldots)$

$(d_n)=(1, 2, 4, 8, 16, \ldots)$

$(d_n^{(2)})=(1, 2, 4, 8, \ldots)$

$\ldots$

Alle Folgen sind also gleich.

Anwendungen

Differenzenfolgen sind ein wichtiges Hilfsmittel zum Lösen so mancher Denksportaufgabe des Typs „Wie lautet das nächste Glied der Folge …?“. Benutzt werden sie auch in Intelligenztests.

Mit Hilfe der Differenzenfolge kann man entscheiden, ob es sich bei einer gegebenen Folge um eine arithmetische Folge handelt. Wiederholtes Bilden der Differenzenfolge erlaubt die Charakterisierung arithmetischer Folgen höherer Ordnung, deshalb sind Differenzenfolgen auch bei der Untersuchung figurierter Zahlen, z.B. Polygonalzahlen von Interesse.

In der mathematischen Forschung ist die Differenzenfolge der Folge der Primzahlen Gegenstand zahlreicher Untersuchungen.

Literatur

• John H. Conway, Richard Kenneth Guy: Zahlenzauber. Von natürlichen, imaginären und anderen Zahlen, Birkhäuser, Basel 2002, ISBN 978-3-7643-5244-8. Besser ist hier die englische Originalausgabe: The Book of Numbers, Springer, Berlin, 2nd corr. Printing (März 1998), ISBN 978-0-387-97993-9

Weblinks

• Die Seite von Jutta Gut über Differenzen- und Summenfolgen (ausführlich, mit Beispielen und Zusammenhängen zur Infinitesimalrechnung, Summenfolgen)