Sätze über konvergente Zahlenfolgen

Hier sind einige Sätze über konvergenter Zahlenfolgen zusammengefasst.

Satz 5731C (Konvergenz und Nullfolgen)

Es gilt anaa_n\rightarrow a genau dann, wenn (ana)(a_n-a) eine Nullfolge ist.

Beweis

Trivial \qed

Satz 5225A (Konvergenz monotoner Folgen)

Eine monotone Folge konvergiert genau dann, wenn sie beschränkt ist.
Insbesondere konvergiert eine beschränkte und monoton wachsende (monoton fallende) Folge gegen ihr Supremum (Infimum).
 
 

Beweis

Sei (an)(a_n) monoton wachsend; dann gilt an+1>ana_{n+1}>a_n. Sei s=sup{an}s=\sup\{a_n\} (existiert nach dem Vollständigkeitsaxiom.) Wir zeigen jetzt, dass ss auch Grenzwert der Folge ist. Wir betrachten eine ϵ\epsilon-Umgebung Uϵ(s)U_\epsilon(s). Da sϵs-\epsilon keine obere Schranke sein kann (ss war als Supremum die kleinste obere Schranke), gibt es ein aka_k mit sϵ<aks-\epsilon<a_k. Wegen der Monotonie liegen dann aber auch alle weitere Folgenglieder in der ϵ\epsilon-Umgebung und damit nur endlich viele außerhalb. Also muss ss der Grenzwert der Folge sein.
Analog zeigt man die Konvergenz einer beschränkten und monoton fallenden Folge gegen ihr Infimum. \qed

Beispiel

Wir definieren (an)(a_n) rekursiv:
a1:=63a_1:=\sqrtN{3}{6}; an+1:=6+an3 a_{n+1}:=\sqrtN{3}{6+a_n}
Behauptung 1: (an)(a_n) ist nach oben beschränkt; nN    an<2\forall n\in\N\;\; a_n<2.
Beweis mit vollständiger Induktion: a1=63<2a_1=\sqrtN{3}{6}<2 Gelte an<2a_n<2 für ein nNn\in\N. Wegen an<2a_n<2 gilt dann an+1=6+an3<6+23=2a_{n+1}=\sqrtN{3}{6+a_n}<\sqrtN{3}{6+2}=2. Behauptung 2: (an)(a_n) ist monoton wachsend. Beweis: a1a2a_1\leq a_2 da 66+636\leq 6+\sqrtN 3 6. Gelte anan+1a_n\leq a_{n+1} für ein nNn\in\N.
an+2=6+an+13a_{n+2}=\sqrtN{3}{6+a_{n+1}}6+an3=an+1\geq\sqrtN{3}{6+a_n}=a_{n+1}
Also ist (an)(a_n) nach Satz 5225A konvergent.

Satz 5731A (Vergleichskriterium)

Seien (an)(a_n) und (bn)(b_n) zwei konvergente Zahlenfolgen mit liman=limbn=a\lim a_n=\lim b_n=a und (xn)(x_n) eine Folge, für die gilt: anxnbna_n\leq x_n\leq b_n, dann konvergiert xnx_n gegen aa: xnax_n\rightarrow a.

Beweis

Sei ϵ>0\epsilon>0 gegeben. Dann finden wir wegen anaa_n\rightarrow a ein nϵn_\epsilon, mit
ana<ϵ|a_n-a|<\epsilon für alle n>nϵn>n_\epsilon(1)
und wegen bnab_n\rightarrow a ein mϵm_\epsilon, mit
bna<ϵ|b_n-a|<\epsilon für alle n>mϵn>m_\epsilon.(2)
Für alle n>max(nϵ,mϵ)n>\max(n_\epsilon,m_\epsilon) gelten sowohl (1) als auch (2). Wir zeigen, dass dann auch xna<ϵ|x_n-a|<\epsilon gilt.
Fall 1: axna\leq x_n. Dann gilt: xna=xnabna=bna<ϵ|x_n-a|=x_n-a\leq b_n-a=|b_n-a|<\epsilon.
Fall 2: a>xna>x_n. Dann gilt: xna=axnaan=aan=ana<ϵ|x_n-a|=a-x_n\leq a-a_n=|a-a_n|=|a_n-a|<\epsilon. \qed

Satz 5225C (Eigenschaften konvergenter Zahlenfolgen)

Seien (an)(a_n) und (bn)(b_n) zwei konvergente Zahlenfolgen mit liman=a\lim a_n=a und limbn=b\lim b_n=b. Für alle α,βR\alpha,\beta \in \dom R gilt dann:
  1. lim(αan+βbn)=αa+βb\lim(\alpha a_n+\beta b_n)=\alpha a+\beta b.
    Die Limesbildung ist also eine lineare Operation auf den konvergenten Zahlenfolgen.
  2. lim(anbn)=ab\lim(a_n\cdot b_n) =ab;
    limanbn=ab\lim \, \dfrac {a_n}{b_n} =\dfrac a b für b0b\neq 0
  3. limanp=ap\lim \sqrtN p {a_n}=\sqrtN p a falls an0a_n\ge 0 und a0a\geq 0 für alle pNp\in\dom N .
  4. liman=a\lim |a_n| =|a|.
    Jedoch gilt im Allgemeinen nicht ana    ana|a_n|\to|a|\implies a_n\to a

Beweis

(i) Wir zeigen zuerst αanαa\alpha a_n\rightarrow \alpha a. Wegen anaa_n\rightarrow a ist anaa_n-a Nullfolge, dann ist nach Satz 5225D αanαa\alpha a_n-\alpha a Nullfolge und es gilt αanαa\alpha a_n\rightarrow \alpha a.
Um (i) in Gänze nachzuweisen, brauchen wir jetzt nur noch an+bna+ba_n+b_n\rightarrow a+b zu zeigen.
Wegen anaa_n\rightarrow a ist anaa_n-a Nullfolge und wegen bnbb_n\rightarrow b ist bnbb_n-b Nullfolge, dann ist nach Satz 5225D ana+bnb=an+bn(a+b)a_n-a+b_n-b=a_n+b_n-(a+b) Nullfolge und es gilt an+bna+ba_n+b_n\rightarrow a+b.
(ii) Wegen anaa_n\rightarrow a ist anaa_n-a Nullfolge und wegen bnbb_n\rightarrow b ist bnbb_n-b Nullfolge. Es ist dann auch (ana)(bnb)=anbnabnanb+ab(a_n-a)(b_n-b)=a_nb_n-ab_n-a_nb+ab Nullfolge. Wie man sich schnell überzeugt, gilt abnabab_n\rightarrow ab und anbaba_nb\rightarrow ab, womit anbnaba_nb_n-ab Nullfolge ist und anbnaba_nb_n\rightarrow ab gilt.
Da anbn=an1bn\dfrac {a_n}{b_n}=a_n\cdot \dfrac 1{b_n}, müssen wir 1bn1b\dfrac 1{b_n}\rightarrow \dfrac 1 b zeigen. Es ist 1bn1b=bbnbnb\dfrac 1{b_n}-\dfrac 1 b=\dfrac {b-b_n}{b_n b} =(bbn)1bnb=({b-b_n})\dfrac 1{b_n b}. Offensichtlich ist (bbn)({b-b_n}) eine Nullfolge. Um die Behauptung zu zeigen brauchen wir dafür nach Satz 5225D nur noch zu zeigen, dass 1bnb\dfrac 1{b_n b} beschränkt ist. Da bnbb_n\rightarrow b\neq , muss für fast alle Folgenglieder bn>r>0|b_n|>r>0 für ein festes rr gelten. Damit gilt dann auch 1bnb<1rb\dfrac 1{b_n b}<\dfrac 1 {rb} und die Folge ist beschränkt. (Die endlich vielen außerhalb liegenden Folgenglieder können zwar die Schranke nach oben treiben, ändern aber nichts an der Tatsache an sich.) \qed
(iii) Sei a=0a=0; zu zeigen: anp0\sqrtN{p}{a_n}\to 0. Sei ε>0\varepsilon>0. Wähle n0Nn_0\in\N mit nn0    an<εp\forall n\geq n_0\;\; a_n<\varepsilon^p (möglich da an0,nN    an0a_n\to 0, \forall n\in\N\;\; a_n\geq 0).     nn0\Rightarrow\;\; \forall n\geq n_0 gilt an0p=anp<ε \sqrtN{p}{a_n-0}=\sqrtN{p}{a_n}<\varepsilon. Nun gelte a>0a>0. Es ist ana=(anp)p(ap)p|a_n-a|=\left| \left(\sqrtN{p}{a_n}\right)^p - \left(\sqrtN{p}{a}\right)^p\right| für alle nN n\in\N. Mit Hilfe der 3. binomischen Formel: (anp)p(ap)p\left| \left(\sqrtN{p}{a_n}\right)^p - \left(\sqrtN{p}{a}\right)^p\right|=(anpap)k=0p1(anp)p1k(ap)k=\left| \left(\sqrtN{p}{a_n} - \sqrtN{p}{a}\right) \cdot\sum\limits_{k=0}^{p-1}(\sqrtN{p}{a_n})^{p-1-k}(\sqrtN{p}{a})^k\right| anpap(anp)p1(p1)(ap)p1=(ap)p1=:c\geq \left|\sqrtN{p}{a_n}-\sqrtN{p}{a}\right|\cdot\underbrace{\left(\sqrtN{p}{a_n}\right)^{p-1-(p-1)}\cdot\left(\sqrtN{p}{a}\right)^{p-1}}_{=\left(\sqrtN{p}{a}\right)^{p-1}=:c}     nN:anpap1cana\Rightarrow\;\; \forall n\in\N:\quad \left|\sqrtN{p}{a_n}-\sqrtN{p}{a}\right|\leq\dfrac{1}{c}\left|a_n-a\right|     anpap\Rightarrow\;\; \sqrtN{p}{a_n}\to \sqrtN{p}{a}
(iv) Ist ana<ϵ|a_n-a|<\epsilon, so gilt nach Satz 5221C anaana<ϵ||a_n|-|a||\le |a_n-a|<\epsilon.
Die Umkehrung dieser Behauptung gilt nicht, wie man z.B. an der Folge an=(1)n+1na_n=(\me)^n+\dfrac 1 n sieht. \qed

Man darf nicht das, was uns unwahrscheinlich und unnatürlich erscheint, mit dem verwechseln, was absolut unmöglich ist.

Carl Friedrich Gauß

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