Wikia

Математика

Предел последовательности

Обсуждение0
1417статей на этой вики

В математике пределом последовательности называют объект, к которому члены последовательности в некотором смысле стремятся или приближаются с ростом номера. Предел — одно из основных понятий математического анализа. Понятие предела использовалось ещё Ньютоном во второй половине XVII века и математиками XVIII века, такими как Эйлер и Лагранж, однако они понимали предел интуитивно. Первые строгие определения предела последовательности дали Больцано в 1816 году и Коши в 1821 году.

Определение Править

Пусть дано топологическое пространство T и последовательность x_n . Тогда, если существует элемент x \in T такой, что

\forall U(x) \exists N: \forall n (n > N \Rightarrow x_n \in U(x)),

где U(x) — открытое множество, содержащее x , то он называется пределом последовательности x_n . Если пространство является метрическим, то предел можно определить с помощью хирни: если существует элемент x \in T такой, что

\forall \varepsilon > 0 \exists N: \forall n (n > N \Rightarrow d(x_n, x) < \varepsilon),

где d(x,y) — метрика, то x называется пределом x_n .

Не у всякой последовательности существует предел. Например, если взять в качестве пространства множество вещественных чисел со стандартной топологией, а в качестве x_n последовательность x_n = (-1)^n , то у неё не будет предела. Если у последовательности существует предел, то она называется сходящейся, если нет — расходящейся. В общем случае пределов может быть несколько. Например, если пространство снабжено антидискретной топологией, то пределом любой последовательности будет любой элемент пространства. Однако при наложении некоторых условий на пространство можно достичь единственности предела в случае его существования. 

Общие свойства Править

  • Если пространство хаусдорфово (в частности, если оно метрическое), то у каждой последовательности существует не более одного предела. Предположим, что имеется как минимум два разных предела, x и y . Возьмём их непересекающиеся окрестности: по определению предела, все элементы последовательности с достаточно большими номерами будут содержаться только в одной из них — значит, предположение о двух пределах неверно.
  • Верно обратное: если пространство нехаусдорфово, то существуют последовательности с более чем одним пределом.

Случай вещественных чисел Править

Пределом последовательности вещественных чисел называется число A, если выполнено следующее условие:

\forall\varepsilon>0\exists N:\forall n(n>N\Rightarrow|x_n-A|<\varepsilon),

то есть для любой окрестности точки A можно указать номер, начиная с которого все элементы последовательности будут лежать в этой окрестности. Также можно дать эквивалентное определение: число A называется пределом последовательности, если в любой его окрестности содержится бесконечное число элементов последовательности, а вне этой окрестности — лишь конечное число. Таким образом, пределом последовательности может быть только предельная точка множества её элементов. Это определение согласуется с общим определением предела для топологических пространств.

Если последовательность имеет предел, то она называется сходящейся к числу A , если нет, то расходящейся. Тот факт, что число A является пределом последовательности \{x_n\} , записывается следующим образом:

\lim_{n\to\infty}{x_{n}}=A.

Это определение обладает неустранимым недостатком: оно объясняет, что такое предел, но не даёт ни способа его вычисления, ни информации о его существовании. Всё это выводится из доказываемых ниже свойств предела.

Всё вышесказанное относилось к конечным пределам, но определение предела можно расширить и на бесконечные значения: +\infty и -\infty. Для примера запишем определение предела, равного плюс бесконечности:

\forall M>0\exists N:\forall n(n>N\Rightarrow x_{n}>M).

Термин «сходящаяся последовательность» не распространяется на последовательности с бесконечными пределами.

Свойства Править

Имеют место следующие арифметические свойства пределов вещественных последовательностей:

  1. \lim_{n\to\infty}{kx_{n}}=k\lim_{n\to\infty}{x_{n}}, где kконстанта;
  2. \lim_{n\to\infty}{(x_{n}+y_{n})}=\lim_{n\to\infty}{x_{n}}+\lim_{n\to\infty}{y_{n}}, если указанные пределы существуют;
  3. \lim_{n\to\infty}{(x_{n}\cdot y_{n})}=\lim_{n\to\infty}{x_{n}}\cdot \lim_{n\to\infty}{y_{n}} при том же условии;
  4. \lim_{n\to\infty}{\frac{x_{n}}{y_{n}}}=\frac{\lim\limits_{n\to\infty}{x_{n}}}{\lim\limits_{n\to\infty}{y_{n}}}, если пределы существуют и \lim_{n\to\infty}{y_{n}}\neq0.

Свойства 1—3 очевидным образом выводятся из определения предела; докажем последнее свойство. Для начала нужно доказать, что 1/y_n сходится к 1/b , где b — предел y_n. Рассмотрим разность \left|\frac{1}{y_{n}}-\frac{1}{b}\right|. При достаточно больших n она имеет смысл, так как y_n не равен нулю.

Проведём преобразования:

\left|\frac{1}{y_n}-\frac{1}{b}\right|=\left|\frac{1}{b}\right|\left|b-y_{n}\right|\left|\frac{1}{y_n}\right|.    (1)

Последовательность 1/y_n ограничена, то есть меньше некоторого числа M . Поскольку y_n сходится к b , то существует N:\forall n\left(n>N\Rightarrow|y_n-b|<\frac{\varepsilon|b|}{M}\right). Подставим эти значения в выражение (1) и получим, что при таких n разность \left|\frac{1}{y_n}-\frac{1}{b}\right|<\varepsilon, ч. т. д.

Верны также следующие теоремы:

  • Если при достаточно больших n (или, как говорят, финально) выполняется неравенство x_n<y_n , то, если обе последовательности имеют пределы a и b , можно утверждать, что a\leqslant b. Для доказательства сначала доказывается обратный факт (если a<b , то последовательности финально разграничены, а если a=b , то о неравенстве членов последовательностей ничего сказать нельзя). Действительно, у a и b можно взять непересекающиеся окрестности (такие, что каждая точка первой лежит левее каждой точки второй на числовой прямой), в которых финально должны будут лежать та и другая последовательности.
  • Если финально x_n<y_n<z_n и пределы x_n и z_n равны A , то предел y_n также существует и равен A (так называемая теорема о двух милиционерах). Докажем её: для любого \varepsilon при достаточно больших n верно следующее:
A-\varepsilon<x_n<y_n<z_n<A+\varepsilon,

то есть y_n лежит в \varepsilon-окрестности точки A , а значит, A по определению является её пределом.

  • Если две последовательности отличаются друг от друга лишь конечным числом членов и у одной из них есть предел, то предел есть и у другой и их пределы равны.
  • У возрастающей ограниченной сверху последовательности есть предел. То же верно для убывающей ограниченной снизу последовательности.
  • Имеет место теорема Штольца.

Примеры Править

  • Предел последовательности, все члены которой равны числу x , равен x .
  • Если у последовательности чисел x_n существует предел x , и если задана функция f(x) , определенная для каждого x_n и непрерывная в точке x то
        \lim_{n\to\infty}{f(x_{n})}=f(x)
  • Пределы последовательностей x_n = \frac{1}{n} и x_n = \frac{(-1)^n}{n} равны 0.
  • Если у последовательности x_n существует предел, то последовательность средних арифметических \frac{x_1 + \dots + x_n}{n} имеет тот же предел (следствие из теоремы Штольца).
  • Если у последовательности положительных чисел x_n существует предел x , то
\lim\limits_{n \to \infty} \sqrt[n]{x_1\cdot\dots\cdot x_n} = \lim\limits_{n \to \infty} e^{\ln \sqrt[n]{x_1\cdot\dots\cdot x_n}} = \lim\limits_{n \to \infty} e^{\frac{\ln x_1 + \dots + \ln x_n}{n}} = e^{\ln x} = x.
  • Если последовательность x_n положительна, а у последовательности \frac{x_{n+1}}{x_n} существует предел, то к тому же пределу сходится последовательность \sqrt[n]{x_n}. Для доказательства нужно применить предыдущий пример к последовательности x_1, \frac{x_2}{x_1}, \frac{x_3}{x_2}, \dots. В частности, \lim\limits_{n \to \infty} \sqrt[n]{n} = 1.
  • Предел последовательности x_n = n равен +\infty.
  • У последовательности 1, 2, 1, 2, \dots (единицы и двойки чередуются) нет предела.

См. также Править


ar:نهاية متتاليةhe:גבול של סדרהlt:Sekos riba pl:Granica ciągu zh:收敛数列

Викия-сеть

Случайная вики