高中数学 · E10 · 数列应用

储蓄、贷款与分期过程

按计息与收付的先后顺序,计算储蓄余额和分期还款。

逐月计算

先算清每个月还剩多少

上一篇讨论的是一次存入后、不再存取款时,金额怎样计息;储蓄和分期还款还要计入每期的存入、取出或偿还。本篇先算两个月的欠款,再把同样的步骤写成递推式。

借款 $10\,000$ 元,月利率 $1\%$,无其他费用,每个月末先计息、再还 $3\,000$ 元。

$$10\,000\times1.01=10\,100$$

第一个月先计息,欠款变成 $10\,100$ 元。

$$10\,100-3\,000=7\,100$$

月末还款后,剩余欠款为 $7\,100$ 元。

$$7\,100\times1.01=7\,171$$

第二个月按剩余欠款计息,不再按原来的 $10\,000$ 元计息。

$$7\,171-3\,000=4\,171$$

再次还款后,剩余欠款为 $4\,171$ 元。

每个月重复的是同一个动作:上月剩余欠款先计息,再减去本月还款。

递推表示

把同一个动作写成公式

设 $B_0$ 为初始余额,$B_k$ 为第 $k$ 期末完成收付后的余额。每期利率为 $r\ge0$,记倍率 $q=1+r$;$c_k$ 表示第 $k$ 期末收付的金额。

正负号以所记录的余额为准:存款余额增加,存入记正;尚欠金额减少,还款记负。前例中 $q=1.01$、$c_k=-3\,000$。

$$B_k=qB_{k-1}+c_k\quad(k\ge1)$$

先把上期余额乘 $q$ 计息,再加本期收付 $c_k$。

以下各期长度相同、利率固定且无其他费用;金额单位和利率对应的周期也须一致。

$$B_1=qB_0+c_1$$

第一期:初始余额计息后,加入 $c_1$。

$$B_2=q(qB_0+c_1)+c_2$$

用第一期的结果替换 $B_2=qB_1+c_2$ 中的 $B_1$。

$$B_2=q^2B_0+qc_1+c_2$$

展开括号:初始余额计息两次,$c_1$ 计息一次,$c_2$ 尚未计息。

$$B_n=q^nB_0+c_1q^{n-1}+\cdots+c_n$$

继续代入到第 $n$ 期。每笔金额的指数,就是它到该期末经历的计息次数。

这里 $n$ 是过程实际具有的正整数期数。上式汇总的是同一时点的余额;$n=1$ 时,现金流部分只有 $c_1$。

等额收付

每期金额相同,就能用等比求和

若每期末收付都为 $c$,将各项中的 $c$ 提出来:

$$B_n=q^nB_0+c(q^{n-1}+\cdots+q+1)$$

括号内共 $n$ 项,每笔收付按各自的计息次数乘 $q$。

$$B_n=q^nB_0+c\frac{1-q^n}{1-q}$$

当 $q\ne1$ 时,用等比数列前 $n$ 项和合并括号内的项。

$$B_n=B_0+nc\quad(q=1)$$

没有利息时,每期只增加 $c$;不能使用分母为 $1-q$ 的公式。

其中 $q^nB_0$ 来自初始余额,其余部分来自每期收付。$n=1$ 时括号内只有 $1$。

三期还清

改问每月应该还多少

仍借 $10\,000$ 元,月利率 $1\%$,无其他费用。现在不再固定还 $3\,000$ 元,而是求每个月末等额还款 $x$,使三个月末恰好还清。

记录尚欠金额,就有 $B_0=10\,000$、$q=1.01$、$c=-x$。还清意味着 $B_3=0$。

$$0=10\,000\times1.01^3-x(1.01^2+1.01+1)$$

本金计息三次;三次还款到第三个月末分别抵消 $1.01^2x$、$1.01x$、$x$。

$$x=\frac{10\,000\times1.01^3}{1.01^2+1.01+1}$$

移项,再除以三次还款的系数之和。

$$x\approx3\,400.22\text{ 元}$$

算得每月等额还款约为 $3\,400.22$ 元。

这是理论金额的近似值;若实际付款四舍五入到分,末期须按剩余欠款调整,才能恰好结清。

收付时点

期初收付,要先加再计息

若收付改到期初,本期金额 $c_k$ 立即参与计息;此时 $c_k$ 改指第 $k$ 期初的收付,$B_k$ 仍记录该期结束时的余额。

$$B_k=q(B_{k-1}+c_k)$$

先收付,再计息;同一笔金额比期末收付多计息一次。

所以期初、期末不能套用同一条更新式。先确定收付时点,再写运算顺序。

核心结论

每一步都对应实际发生的动作

期末收付:$B_k=qB_{k-1}+c_k$,先计息再收付。期初收付:$B_k=q(B_{k-1}+c_k)$,先收付再计息。

正负号说明余额增减,$q$ 的幂说明计息次数;等额收付才可直接合并为等比数列求和。