• Nie Znaleziono Wyników

Twierdzenie o trzech ciągach. Jeżeli dwa dagi dążą do wspól

nej granicy, a wyrazy trzeciego ciągu zawierają się stale między odpoWied­

niem i wyrazami tych dwóch ciągów lab są im równe, to i ten trzeci ciąg jest zbieżny do tej samej granicy.

Jeżeli więc a„ —» fj i b„ —> y, a ponadto a „ ^ c „ ^ bn, to także c„ —» g.

Doioód. W każdym przedziale, otaczającym g, znajdują się prawie wszystkie wyrazy ciągów {«„) i {b„} a więc także prawie wszystkie wy*

razy ciągu {c„}, ponieważ one leżą zawsze pomiędzy an i bn lub są im równe. To zaś dowodzi, że także ciąg {c„} jest zbieżny i to do tej sa­

mej granicy g.

Twierdzenie to odnosi się zarówno do ciągów monotonicznych jak i do ciągów niemonotonicznycb. Przy pomocy tego twierdzenia można nieraz zbadać granicę jakiegoś skomplikowanego ciągu {cn}, opierając się na zbieżności dwóch prostszych ciągów {«„} i {/;„}.

Przykład. Chcemy zbadać zbieżność ciągu cn — (— 1)" • t. j.

ł> i ’ £i •••

Porównajmy ten ciąg z ciągami:

ogólnie an — i

— li — i» — i> — ł . — ł v ogólnie bn = — i Zawsze jest:

an ^ cn ^ K

a mianowicie dla nieparzystych n jest bn = cn a dla parzystych n jest an — cn. Ciągi {«„} i {bn} jako monotoniczne i ograniczone są zbieżne a mianowicie do granicy g — 0. Zatem także c„ — 0, jakkolw iek ciąg ten nie jest monotoniczny.

§ 2 9 . Definicja granicy w arytmetycznej postaci.

Definicja granicy, której używaliśmy dotychczas, nadaje się dobrze do dowodzeń słownych, nie jest jednak odpowiednia przy wykonywaniu obli­

czeń. Można ją jednak z łatwością wyrazić w postaci arytmetycznej. I tak przedewszystkiem zamiast mówić: „prawie wszystkie wyrazy anu leżą w jakim ś przedziale, można powiedzieć: „wszystkie wyrazy an o znaczku n ~g> N u. Jeżeli bowiem np. tylko wyrazy aPl,a Pt, . . . a p leżą poza prze­

działem, to, oznaczając literą N największą z liczb P i , p t , • •■ps , widzimy, że już wszystkie wyrazy o znaczku n^> N leżą w przedziale. Odwrotnie, jeżeli wszystkie wyrazy an o numerze n j> N leżą w przedziale, to poza przedziałem może leżeć eonajwyżej skończona ilość tych wyrazów, a mia­

nowicie conaj wyżej wyrazy al5 a2, ... aN_,, cln. Dalej: zamiast mówić, że wy­

razy an leżą w przedziale o środku w g, napiszemy, że:

g - e < a n < g - f £ czyli — £ < a„ — y < + £, lub:

I«« — ^ K 6

przy dowolnem dodatniem £, t. j. przy dowolnej szerokości przedziału (nawet bardzo małej). Wobec tego możemy sformułować arytmetycznie pojęcie granicy zapomocą następującej definicji.

Ciąg {an) dąży do granicy g, to znaczy, że do k a ż d e j dodatniej liczby e można dobrać taką liczbę N, iż dla wszystkich wskaźników n więk­

szych od N zachodzi nierówność:

I a n — 9 1 < £

To znaczy, że począwszy od pewnego wyrazu wszystkie dalsze różnią się od liczby g co do bezwzględnej wartości o mniej niż e. Możemy także powiedzieć, że te wszystkie dalsze wyrazy ciągu przedstawiają granicę g z błędem mniejszym przez nadmiar lub niedomiar od każdego obra­

nego e.

Jeżeli więc zgóry żądamy, aby błąd był mniejszy co do bez­

względnej wartości od dowolnie małej podanej liczby s, to zawsze mo­

żemy się posunąć w ciągu tak daleko, że już wszystkie dalsze wyrazy przedstawiają granicę z błędem mniejszym od e, o ile ciąg wogóle po­

siada granicę. Podajemy więc zgóry dowolnie dodatnią liczbę e, a do niej dobieramy N; zatem N jest funkcją zmiennej e, co też możemy wy­

raźnie zaznaczyć, pisząc N(e) zamiast samego N. Zbadanie, czy jak aś liczba g jest granicą ciągu {a„}, polega zatem na rozwiązaniu nierówności

\an — <71 < i £ czyli \ f ( n ) — y | < £ ze względu na niewiadomą n i na zba­

daniu, czy zbiór liczb całkowitych n, spełniających tę nierówność, składa się z wszystkich liczb całkowitych większych od jakiejś jednej liczby N, zależnej od e. W ten sposób sprowadziliśmy badanie zbieżności ciągu do czysto arytmetycznego zagadnienia; mówimy wobec tego, że pojęcie gra­

nicy zostało zarytmetyzowane.

Przykłady, a) Wykazać, że granicą ciągu: 1 , . . . o wyrazie ogólnym an = — jest liczba g — 0.

Staramy się znaleźć takie N., aby dla wszystkich liczb całkowitych n f> N spełniała się nierówność:

(I) 0 < £

przy dowolnem dodatniem e. Rozwiązujemy tę nierówność według n. Po-1

0 jest liczbą dodatnią, zatem:

nieważ n jest liczbą dodatnią, to i — n

A więc ma być:

czyli

1 n - < £ 1n

n > J

0 = - 71

K ładąc N = —, widzimy, że dla wszystkich w > N spełnia się nierów-

£

ność (I), a to dowodzi, że liczba g = 0 jest granicą ciągu a„ = Tak np. żądając, aby wszystkie wyrazy ciągu i , począwszy od jakiegoś w y­

razu, różniły się od granicy 0 o mniej, niż e — OOOl, t. j. żądając, aby:

< OOOl, wystarczy obrać n j> = 1000. To znaczy, po-cząwszy od wyrazu a1001 wszystkie wyrazy ciągu — różnią się od zera1 o mniej niż 10}00-. Istotnie te wyrazy są: toV2'»Tt/cs") • • • Tak samo możemy postąpić przy każdem innem £.

Spróbujmy, do czegoby nas doprowadziło przypuszczenie, że jakaś inna liczba, np. g = 2, jest granicą tego ciągu. Należałoby w takim razie rozwiązać nierówność:

(a ) - — 2

n O

Ponieważ przy każdem eałkowitem dodatniem n jest ^ < 1, przeto — — 2 jest liczbą ujemną, a więc ■— — 2 = 2 — Zatem należy rozwiązać nie­

równość: 2 — —■ <[ £ czyli 2 n — 1 < iie a stąd:

n < 1 W eźmy np. 0 <T £ <C 1, to:

11 <[ 1

a zatem żadna liczba całkowita dodatnia nie spełnia żądanej nierówności przy £ < 1. A więc nie do każdej dodatniej liczby £ da się dobrać ta­

kie IV, aby n > N pociągało za sobą nierówność (a), a to znaczy, że 2 nie jest granicą tego ciągu.

b) Zbadać, czy g — 1 jest granicą ciągu:

1 2 3 . . . n

2 - 8 - i " " °SÓ1," e “* = i + T Należy więc zbadać, czy warunek:

(b)

może się spełniać dla wszystkich odpowiednio wielkich liczb całkowitych i i .

Uwalniając tę nierówność od mianownika n -}- 1, otrzymujemy:

| n — « — 1 [ < ne -f- e czyli:

1 < ; ne -f- £ a stąd:

^ 1 £

^ 2. £

Kładąc N(e) = --- widzimy, że dla wszystkich », większych od tego

E

N(e), spełnia się nierówność (b) przy każdem dowolnem dodatniem e, a to dowodzi, że g — 1 jest granicą ciągu an — Tl . T ak np. żądając,

Tl Hp* JL

aby było:

(o) n -j- 1 < 0-01

należy obrać N = = 99. Dla wszystkich n > 99, to znaczy dla:

a100J <*101 > <*102 j • • •

spełnia się nierówność (c). Np. n100 = a a100 — 1 = — a więc istotnie |a 100— 1 | = < ; 0'01 i tak samo dla dalszych an. W szystkie te wyrazy, począwszy od a10(h przedstawiają zatem granicę: <7 = 1 z błę­

dem przez niedomiar mniejszym od e = 0 0 1 .

c) W ykażemy, że granicą ciągu o wyrazie ogólnym:

4 « + 3 a * = g— !

2 — 7 n jest liczba: g = —

Aby to okazać, rozwiążemy nierówność:

(d) czyli:

29 ^

< £

|7 ( 2 - 7 « ) |

Ponieważ 2 — 7« jest liczbą ujemna dla każdego całkowitego dodatniego «, przeto |2 — 7«| = 7m— 2, wobec czego nasza nierówność ma postać

29 < £ 7(7« — 2)

Stąd 29 < C 4 9n e — 14e (znak nierówności pozostał przy tern mnożeniu niezmieniony, ponieważ 7« — 2 jest liczbą dodatnią).

B ach an ek różniczkowy i całkow y. 8

A więc

29 —|— 14 e W > — 4 9 — = N W

Dla wszystkich całkowitych n większych od tego N(s) spełnia się nie­

równość (d); zatem istotnie liczba g = — £ jest granicą badanego ciągu.

Zażądajmy np., aby wszystkie wyrazy tego ciągu, począwszy od pewnego numeru, przedstawiały tę granicę z błędem mniejszym (co do bezwzględnej wartości) od e — 0 05 = ^ ¡ . Uzyskamy to, obierając

29 + 1 4 - ^ _ 580 + 14 _ 49 - A “ 49

a więc dla n = 1 3 ,1 4 ,15 ,... czyli dla als, au , a16, ... Tak np. dla a13 otrzymujemy:

K - ( - * ) | = | ^ + ł l = Y% = 0 - 0 3 6 ...< 0 - 0 5

i podobnie dla wszystkich dalszych an\ natomiast dla n = 12 otrzymujemy:

l « x . - ( - ł ) l “ | ^ + ł H f ^ 7 = 0'0505 >

°-°5-d) W ykazać, że M-ty pierwiastek z każdej liczby dodatniej dąży do 1, gdy n wzrasta nieogranicznie, t. j. że:

n 1

(e) l i m | / a = l czyli lim a n= l dla a > 0

n - > o o n —y oo

Rozważmy najpierw przypadek, gdy a ]> 1. Chodzi nam o spełnienie nierówności:

(f) \Va — 1 1 < e

dla wszystkich n większych od jakiejś odpowiednio dobranej liczby N.

n n

Ponieważ a > 1, to i \a > 1 a zatem \a — 1 jest liczbą dodatnią,

n

wobec czego zamiast | \a — 1 1 możemy w naszej nierówności napisać

n

Y a — 1. Mamy więc spełnić nierówność:

n

Y a— 1 < e

czyli:

(g) a < { l + ey

Na podstawie znanej nierówności (1 -j- d)m > 1 -j- dtn, (której używaliśmy już na str. 106), jest (1 -f- s)n >■ 1 -f- ne. Jeżeli więc spełnimy nierówność:

(h) a <C 1 -f- we

to tembardziej będzie spełniona nierówność (g). Stąd otrzymujemy z łat­

wością

n > i = N(e)

£

Otóż znaleźliśmy takie N, że dla wszystkich n ^> N spełnia się (h), a za-n

tem i (g) i (f), a to dowodzi, że Y a —> 1.

Weźmy teraz pod uwagę drugi przypadek, gdy a ■< 1. Wtedy

w n n

\a < 1 a więc \ a — 1 jest liczbą ujemną; zatem zamiast \ \ a — 1 | należy

n

napisać w nierówności (f) liczbę dodatnią: 1 — \a.

Mamy więc spełnić nierówność: (

rt n

1 — \a < e czyli 1 — e < \a

Jeżeli g > 1. to ta nierówność jest zawsze spełniona, dla wszystkich n,

n

bo a jest liczbą dodatnią, a zatem i Ya jest liczbą dodatnią, więc

n

1 — | / a < l - Jeżeli zaś e < 1, to dzieląc obie strony nierówności przez

rt

liczbę dodatnią (1 — e) Ya, otrzym ujemy:

i < 1

y a 1 - 8

czyli:

Stosując tu nierówność (1 -|- d)m > 1 dm, otrzymujemy: | l -f- — j

> 1 . nE

>

1 — e

Jeżeli więc spełnimy nierówność:

(i) ^ < i + a ^ 1 — £” 8

to tembardziej będzie spełniona nierówność (i). Stąd otrzymujemy:

^

--- = N i (e)

W ten sposób znaleźliśmy takie W,, że dla wszystkich n > spełnia się nierówność (j) a więc i nierówność: (i) i (f), a to dowodzi, że

rt

[/« -» 1 także i dla a < 1, ale dla a dodatnich.

8*

Wreszcie dla a = 1 jest zawsze \a — \, a więc i lim |/a ^ = 1.

n —>oo

e) Na podstawie poprzedniego przykładu można wykazać, że ogólniej:

(k) lim au" = 1

«—►00

gdy {;/„} jest dowolnym ciągiem liczb dążących do z e r a , zaś « > 0.

Weźmy najpierw pod uwagę ciąg {«„}, złożony z samych liczb do­

datnich. Chodzi nam o spełnienie nierówności:

(1) | a"" — 1 1 < £

Tu znowu, jak w poprzednim przykładzie, trzeba osobno rozważyć a > 1, a < ę l i a — 1.

Otóż dla a > 1 jest a“” > 1, a więc a“* — 1 jest liczbą dodatnią i nierówność (1) ma postać:

(m) aan — 1 < e

Abjr spełnić tę nierówność, wyszukujemy najpierw takie M u aby dla wszystkich m > M t było a m— 1 < e; w poprzednim przykładzie widzie­

liśmy, że takiem M1 jest np. — • A teraz dobierzmy do tego M x tak wielkie iY,, aby dla n > Ar, było un < ; to się da zawsze

uczy-i l uczy-i , - j - 1

nić, bo ciąg {;<„} dąży do zera, a więc \u„ — 0 | — czyli w tym wypadku Un — Ja się uczynić mniejsze od każdej dowolnej liczby dodatniej.

Ponieważ

un < 1

M x + 1 to

a zatem

i a“n ■< aMi+i

i

a u n — 1 < ; a A,> + ] — 1

i _i

Ponieważ zaś aM' +1 — 1 < £ (bo a m — 1 <C £ dla wsz3'stkich m > ii/,, a więc i dla m = ii/, -(- 1), przeto i

a“n — 1 < £

a stąd wynika, że spełnia się nierówność (1) dla wszystkich n > N x.

czyli a“« —> 1. A więc dla a > 1 wzór (k) jest udowodniony. Dla a < 1 nierówność (1) ma postać:

1 — a“» < £

Postępujemy zupełnie podobnie, ja k w poprzednim przypadku. A więc

najpierw obieramy takie il/2, aby dla m > J/2 było 1 — a m<lE (według

przykładu (d) jest np. iI/ 2 = —---). Do tego Mt dobieramy takie iV2, aby dla n > JS\ było u„ <

1 i

W tedy: a“« j> aM'!+ ', zatem 1 — a"« <C 1 — < i, bo m = A/2-f- -(- 1 > Ms. Wobec tego spełnia się nierówność 1 — a“« < e, czyli nie­

równość (1), dla wszystkich n > iV2, a to dowodzi, że a“« —> 1 także dla o < I.

Dla a — i jest a"« = l a więc i teraz a"« —> 1.

Dla ciągów {m„}, o wszystkich wyrazach dodatnich, twierdzenie jest więc udowodnione.

Jeżeli wszystkie wyrazy ciągu {«„} są ujemne, to kładąc u„ = — dn otrzymujemy ciąg {oł„}, złożony z samych wyrazów dodatnich. Chcemy okazać, że

(n) lim a~d'‘ — 1

/ i- > o o

czyli:

11 \rf/i lim ( i

n —> oo \ Cl

Kładąc - = 6, otrzymujemy:

(o) lim ¿A = 1

n-+oo

a to jest ciąg o wykładnikach dodatnich; sprowadziliśmy w ten sposób ten przypadek do poprzedniego, a zatem wzór (o) jest prawdziwy, a więc i wzór (n) jest prawdziwy.

Jeżeli ciąg {un} zawiera dodatnie i ujemne wyrazy, to ciąg {a“n}

dąży do tej samej granicy 1.

Można tu bowiem zastosować twierdzenie o trzech ciągach; i tak a-'"«1 a"« 5S a+l“«' dla a 1

a-'"«1 ^ a“« ^ a+l"«1 „ a <£ 1

a ciągi {u+i"«i} i {a-i“«i} są zbieżne do wspólnej granicy 1 według udo­

wodnionych poprzednio twierdzeń.

Udowodniliśmy w ten sposób prawdziwość następującego twierdze­

nia, z którego skorzystamy później, przy omawianiu funkcyj wykładni­

czych. Jeżeli: a > 0 i nn —> 0, to a“« —> 1.

Uwciyi. P rzy form ułow aniu pojęcia gran icy należy unikać pew nych niepotrzeb­

nych lub zgoła błędnych pow iedzeń. T ak np. można się spotkać z określeniem , że g ra ­ nica je s t to ta k a liczba, do której się w yrazy ciągu corctzto ba rd ziej zbliżają. Otóż;

w arunek ten nie je s t ani dostateczny ani konieczny. T a k np. w yrazy ciągu

Opierając się na tej arytmetycznej definicji granicy, nietrudno udo­

wodnić prawdziwość następującego twierdzenia.

Mamy więc tembardziej:

— £ < |f l „ | —

|y| <

+ £

czyli: dla n > N jest ||a„| — y || <C e. To zaś dowodzi, że lim |a„| = \g\.

—>00

Odwrócenie tego twierdzenia nie jest jednak w ogólności prawdziwe, ja k tego dowodzi np. zachowanie się ciągu —1, - ]- l, — 1, J a k ­ kolwiek tu zawsze |a„| = 1, a więc ciąg jest zbieżny, to mimo to ciąg {an} jest rozbieżny, a mianowicie jego w yrazy oscylują ciągle od

— 1 do - ) - 1. Natomiast dla ciągów, posiadających granicę g = 0, także odwrócenie twierdzenia V jest prawdziwe, a mianowicie:

Va. Jeżeli |o„| —> 0, to i an —> 0.

Dowód. W edług założenia istnieje także N, że dla n > N jest stale

| j | — O J £ czyli ||a „ ||< s czyli |a„|<(£, co też można napisać:\an—0 | < 0.

To zaś dowodzi, że an —> 0.

Tak np. wiemy, że ciąg:

l i i i

’ 2 ’

jest zbieżny do 0. Stąd wynika, że zbieżnym do zera będzie także ciąg, otrzymany z tego ciągu przez zmianę znaku dowolnej liczby wyrazów, np. ciąg:

i< 's> "łi —

§ 3 1 1). Granica górna i dolna. Zasada zbieżności Caucliy’ego.

Jeżeli zasób wartości ciągu {a,,} jest obustronnie ograniczony, to istnieje, jak wiemy (por. § 25), kres górny K i kres dolny k tego zbioru, t. j. najmniejsza z liczb ograniczających ten zbiór zgóry i największa z liczb ograniczających go zdołu. Prócz tych liczb wprowadzono jeszcze pojęcie granicy górnej i granicy dolnej, różne w ogólności od kresu gór­

nego i dolnego. Weźmy pod uwagę zbiór wszystkich takich liczb A powyżej których znajduje się conajwyżej skończona liczba wyrazów ciągu (t. j. albo żaden wyraz ciągu nie jest większy od A, albo tylko skończona liczba wyrazów ciągu przekracza A ); taką liczbą jest np. K i wszystkie liczby większe od K , lecz mogą istnieć także liczb}^ A mniejsze od K.

Tak np. w ciągu o wyrazie ogólnym: an = 3 -(- (— 1)"^1 -j- ~ j począt-kowemi wyrazami są: 1, 4£, 1§, 4^, 1$, 4-J, 1 $ ,... (fig. 55; por. też fig. 53 na str. 101). Kresem górnym jest IiT = 4 £ a kresem dolnym k — 1.

Liczbą A jest 4jj, a także 4-J- lub 4-£, albowiem powyżej K niema wcale wyrazów ciągu, powyżej 4^ znajduje się tylko jeden wyraz ciągu,

po-l) Z treści tego p arag rafu nie będziem y korzystali w tym tomie.

k 8 G K

t t ---1---h— —

I---o i u r n 3 ą a u s

F ig. 55.

wyżej 4jt tylko dwa wyrazy i t. p. Zbiór liczb A jest ograniczony zdołu (np. liczbą 0, a wogóle każdą liczbą kx mniejszą od k, albowiem powy­

żej kx znajduje się już nieskończenie wiele wyrazów ciągu a mianowicie wszystkie wyrazy są większe od kj). Wobec tego zbiór liczb A posiada kres dolny: nazwijmy go G. W naszym przykładzie tym kresem dolnym liczb A jest 4: powyżej każdej liczby G — e mniejszej od 4, leży nie­

skończenie wiele wyrazów ciągu a powyżej każdej liczby G -j- e, większej od 4, leży conajwyżej skończona liczba wyrazów ciągu. Ten dolny kres liczb A nazywamy górną granicą ciągu {an} i piszemy:

6r = lim sup a„ (czytaj: „limes superior“ !)

n-+oo

Granica górna jest to więc liczba G, mająca tę własność, ze przy dowolnem dodatniem e conajwyżej skończona liczba wyrazów ciągu przekracza G -j- e a nieskończenie wiele wyrazów ciągu przekracza G — e.

W podobny sposób budujemy pojęcie granicy dolnej.

Bierzemy mianowicie pod uwagę zbiór wszystkich takich liczb B, poniżej których znajduje się conajwyżej skończona liczba wyrazów ciągu {a„}. Taką liczbą jest np. k i wszystkie liczby mniejsze od k. Mogą jed­

nak istnieć także liczby B większe od k. W naszym przykładzie liczbą B jest np. k — 1, a także 1-|, 1-$. i t. p. Zbiór liczb B jest ograniczony zgóry (np. każdą liczbą K x większą od K), wobec tego posiada kres górny, nazwijmy go g. W naszym przykładzie tym kresem górnym liczb B jest g = 2, albowiem poniżej g — e leży conajwyżej skończona liczba w yra­

zów ciągu, a poniżej g -\- £ leży ich nieskończenie wiele. Ten górny kres liczb B nazywamy dolną granicą ciągu {a„} i piszemy:

y = liminf<7„ (czytaj: „limes inferior“ !)

r t—»■ oo

Granica dolna jest to zatem liczba g, mająca tę własność, ze przy dowolnem dodatniem e conajwyżej skończona liczba wyrazów ciągu leży poni- żej g — £, a nieskończenie wiele wyrazów leży poniżej g -j- e. Z tych defini- cyj wynika, że granica górna nie może być mniejsza od granicy dolnej.

Ciąg ograniczony posiada zatem zawsze granicę górną i dolną. Jeżeli granica górna jest równa granicy dolnej: G = g, to ciąg jest zbieżny, a ta wspólna wartość g jest właśnie jego granicą. W tedy bowiem istnieje tylko skończona liczba wyrazów poza przedziałem (g — e, y -|-e ), a więc prawie wszystkie wyrazy leżą w każdym przedziale, otaczającym g.

Opierając się na tem twierdzeniu, wykażemy, że koniecznym i do­

statecznym warunkiem zbieżności ciągu jest, aby począwszy od pewnego wyrazu wszystkie dalsze jego wyrazy różniły się między sobą dowolnie mało. Twierdzenie to, zwane ogólną zasadą zbieżności C a u c h y ’ eg o, wy­

raża się ściśle w następującej arytmetycznej postaci.

Koniecznym i dostatecznym warunkiem zbieżności ciągu {a,,} jest, aby do każdej dodatniej liczby e można było dobrać taką liczbę N, żeby się dla wszystkich n N spełniała nierówność:

In) \a ,l+/, — a„| < £

przyczem p oznacza dowolną liczbę całkowitą dodatnią.

Dowód. W y k ażem y najpierw , że ten w arunek je st konieczny, t. j., że, jeżeli

lony w łaśnie o e od dolnego końca drugiego przedziału). Jeżeli się więc spełnia n ie­

rów ność (n) dla każdego s przy odpow iednio dobranem N, to gran ica g ó rn a musi się rów nać dolnej, a zatem b ad an y ciąg musi być zbieżny.

P rzykła d .

Z badajm y w ten sposób zbieżność ciągu:

" « + 1

W tym celu tw orzym y:

I #/x I — n + p _ | (n + j>)(« -f 1)— (n + y - f 1) n 1

(" + l ) ( » + i + 1) (« + 1XW+P + 1)

Chcemy znaleźć takie N, ab y się dla n j> N spełniała nierów ność:

(i r + Txf + y + i ) < * czyli (” + 1X,i + i , + 1'> 7

Poniew aż je s t zawsze n - j - p - j-1 )> p , przeto w ystarczy obrać » -f- 1 )> —, czyli:

n > i — 1 = N e

Z naleźliśm y takie N , że dla n j> N je s t | a„+P — a„| <[ fi, a to dowodzi, że b adany ciąg je s t zbieżny.

Skąd w idzim y, że przy zastosow aniu tej ogólnej zasady zbieżności m ożna zba­

dać zbieżność ciągu, nie znając granicy.

§ 32. Arytmetyczne działania, wykonywane na ciągach zbieżnych.

Poznamy obecnie szereg twierdzeń o działaniach arytmetycznych, wykonywanych na wyrazach dwóch lub więcej ciągów; twierdzenia te pozwalają często sprowadzić badanie ciągu o wyrazach skomplikowanych do badania ciągów o bardzo prostej budowie.

VI. Jeżeli dwa ciągi są zbieżne, to ciąg, którego wyrazy są sumami (ilub różnicami) odpowiednich wyrazów tych ciągów, jest także zbieżny, a jego granicą jest suma (lub różnica) granic tych ciągów.

To znaczy: jeżeli an —>a i ¿„—>6, to:

K -j- bn) -> a + 6, (an — b„) -> a — b

Dowód: W edług założenia istnieją dwie takie liczby N, i iV2l że przy dowolnem dodatniem e spełniają się następujące warunki:

dla n > W, jest |a„ — « | < |

(A) n iV2 | bn ó | < g

Nazwijmy nie mniejszą z liczb N u N 2 literą N; możemy to oznaczyć symbolem: N = m & x ( N t , N%), gdzie max jest skróceniem słowa: maxi­

mum. Dla n > N spełniają się obydwie nierówności n Nx i n j> iY3

równości (A), to

\an — a| + 1&« — ó| < £

Bezwzględna wartość sumy nie przekracza nigdy sumy bezwzględnych wartości, wobec czego:

\an — a -f- b„ — b\ ;S \a„ — a | + \bn — b\ < e

czyli: | (a„ -f- b„) — (a -(- ó)| ■< e dla wszystkich n > N, a to znaczy, że (a„ -f- b„) —> a b

Twierdzenie jest więc udowodnione dla sumy. Podobnie możnaby przeprowadzić dowód dla różnicy, ale prościej dojdziemy do celu w na­

stępujący sposób.

Ponieważ b„ —> b, to dla » > N jest |ó„ — 61 <1 e; ale \b n ~ b \ =

= \ — bn -\-b |, zatem i | — bn -j- ó| <C £, a więc także — b„—> — b.

Stosując do ciągów {«„} i {— b,,} twierdzenie o sumie, otrzymujemy odrazu :

(a„ — b„) —> a ~ b

Przykłady: 1) Zbadajmy zbieżność ciągu o wyrazie ogólnym n -t- 1

C" = —

W tym celu rozkładamy c„ na sumę dwóch dodajników: c„ = l - j - ^ - . Nazwijmy a„ — 1, bn = — . Na podstawie twierdzenia VI jest

c„ = a„ + bn -> 1 + 0 a więc c„ -> 1

Badanie zbieżności tego ciągu sprowadziliśmy więc do dwóch prost­

szych ciągów, których granice są znane. Możnaby także w inny sposób dowieść zbieżności tego ciągu, a mianowicie wykazując, że jest on mo- notonicznie malejący i ograniczony zdołu; w ten sposób nie znaleźlibyśmy jednak odrazu także wartości tej granicy.

2) Zbadać granicę ciągu: cn — 3 -|- (^)". Ponieważ 3 —>3, a (£)"—>0 jako ciąg wybrany z ciągu 1, ■£, . . . , zbieżnego do zera, przeto c„ —> 3 + 0 czyli c„ —> 3.

3) Zbadać granicę ciągu: c„ = . Q— . . 2 Tę funkcję ułamkową

?l — o Tl —f— 1 0

możemy rozłożyć na ułamki częściowe (por. str. 91); otrzymamy:

zbieżnego do zera; podobnie bn — - ^ . - »0, a więc c„ -> 0 — 0 czyli c„—> 0.

71 O

To twierdzenie o sumie i różnicy granic można stosować oczy­

wiście tylko wtedy, gdy te granice istnieją, czyli gdy składowe ciągi są zbieżne. Stosując niewłaściwie to twierdzenie, możemy dojść do mylnych wniosków. Tak np. ciąg:

C„ --- 1;---- - --- [--- 1, czyli:

ma granicę zero (por. przykład na str. 110). Tymczasem ciągi

skła-77f -J— l

dowe a„ — (— 1) r ó* = (— l n i e posiadają granicy. Wobec tego skłonni bylibyśmy sądzić, że także c, — an — ¿>„ nie posiada granicy

dowe a„ — (— 1) r ó* = (— l n i e posiadają granicy. Wobec tego skłonni bylibyśmy sądzić, że także c, — an — ¿>„ nie posiada granicy

Powiązane dokumenty