§2. Послідовність. Границя послідовності.
Функція, задана на множині натуральних чисел, називається числовою послідовністю.
Позначається
де
– загальний член послідовності. Кожна
числова послідовність вважається
заданою, якщо вказано правило чи закон
її утворення.
Наприклад,
нехай задано загальний член послідовності
,
тоді її членами будуть числа
.
Для послідовностей з загальними членами
,
членами будуть відповідно числа:
та![]()
Приклад 2.1. Побудувати числову послідовність для знаходження грошових накопичень з урахуванням складних процентів.
Розв'язок.
Нехай початкова сума вкладу складає
грн., процентна ставка дорівнює
річних. Величина
називається питомою процентною ставкою.
На
кінець першого року сума вкладу складе
,
на кінець другого року –
,
на кінець
року –
.
Розглянемо
послідовності
і
.
Побудуємо точки на числовій осі, що
відповідають членам цих послідовностей:
З
рисунку видно, що члени послідовності
по мірі зростання номера
наближаються до точки 0, члени другої
послідовності необмежено віддаляються
від початку координат.
Виберемо
-
окіл точки 0 з
.
Поза цим околом знаходяться десять
перших членів, всі інші, тобто всі
починаючи з номера
,
належать цьому околу. Виберемо менший
окіл точки 0, наприклад
.
Поза цим околом знаходяться перші сто
членів, а всі інші, починаючи з номера
,
належать вибраному околу.
Означення
1.
Число
називається границею числової
послідовності
,
якщо будь-який
-
окіл точки
містить всі члени послідовності,
починаючи з деякого номера
,
а поза ним знаходиться фіксоване число
членів послідовності.
Якщо
члени послідовності належать
-
околу точки
,
то це значить, що для всіх цих членів
виконується нерівність
,
або згідно властивості 7 модуля
.
Означення
2.
Число
називається границею числової
послідовності
,
якщо для будь-якого
існує такий номер
,
що для всіх членів послідовності з
номерами
виконується нерівність
. (
2.1 )
Границя
числової послідовності позначається
або
.
Приклад
2.2
Довести, що для послідовності
,![]()
.
Розв'язування.
Для будь-якого
нерівність ( 2.1 )
або
виконується при
.
Отже, при будь-якому
існує такий номер
( або рівний цілій частині
), що для всіх
виконується нерівність
.
А це означає, що
.
Приклад
2.3
Довести, що послідовність
не має границі.
Розв’язування.
При будь-якому
два сусідні члени цієї послідовності
відрізняються за модулем на 2. Отже для
на числовій осі не має жодної точки
-
окіл якої містив би усі члени послідовності
починаючи з деякого
.
Це означає, що ні одне дійсне число не
може бути границею цієї послідовності.
Послідовності, які мають границю, називаються збіжними, а ті що не мають – розбіжними.
Обмежені послідовності. Зв'язок між існуванням границі та її обмеженістю.
Означення.
Послідовність
називається обмеженою, якщо існує таке
число
,
що для всіх
виконується нерівність
.
Теорема.
Якщо послідовність
має границю, то вона обмежена.
Доведення.
Нехай
.
Для
існує номер такий номер
,
що для всіх членів послідовності з
номерами
виконується нерівність
.
Виберемо
.
Тоді для всіх
виконується нерівність
,
а отже послідовність
є обмеженою.
Зауважимо,
що протилежне твердження в цілому не
вірне. Наприклад, послідовність
обмежена, але границі не має.
Нескінченно малі послідовності та їх властивості.
Означення.
Послідовність
називається нескінченно малою, якщо її
границя дорівнює нулю.
Властивості нескінченно малих послідовностей:
1. Алгебраїчна сума фіксованого числа нескінченно малих послідовностей є нескінченно мала послідовність.
2. Добуток нескінченно малої послідовності на обмежену послідовність ( в тому числі на сталу, іншу нескінченно малу послідовність ) є нескінченно мала послідовність.
Властивості границь.
Властивість
1. Якщо
всі члени послідовності дорівнюють
,
то і границя цієї послідовності дорівнює
.
Властивість
2.
Якщо послідовність
має границю
,
то послідовність
– нескінченно мала.
Властивість
3.
Якщо послідовність
має границю, то вона єдина.
Нескінченно великі послідовності, зв'язок з нескінченно малими.
Означення.
Послідовність
називається нескінченно великою, якщо
для
знайдеться номер
,
починаючи з якого правильна нерівність
.
Приклад
2.4.
Довести, що послідовність
,
нескінченно велика.
Розв’язування.
Нехай
,
тобто
.
Для
виконується нерівність
.
Візьмемо
.
Тоді для
правильна нерівність
.
Теорема.
Якщо послідовність
![]()
– нескінченно мала, то послідовність
,
– нескінченно велика, і навпаки, якщо
послідовність
– нескінченно велика, то послідовність
– нескінченно мала.
Основні теореми про границю.
Відмітимо в першу чергу арифметичні теореми про границю послідовності:
Теорема.
Нехай
,
а
.
Тоді
1)
![]()
2)
![]()
3)
,
якщо
і
.
Крім арифметичних теорем важливе значення мають і теореми порівняння:
Теорема
1.
Нехай
і для
,
,
тоді і
.
Теорема
2.
Нехай
,
і для
,
,
тоді і
.
Теорема
3.
Якщо
і
,
то починаючи з деякого номера
і всі члени послідовності зберігають
знак границі.
Слід
зауважити, що теореми 1, 2 справедливі і
в тому випадку, коли умови
,
виконуються починаючи з деякого номера
.
Монотонні послідовності. Ознаки існування границі.
Означення.
Послідовність
називається зростаючою (неспадною,
спадною, незростаючою) якщо для
виконується умова
(
,
,
).
Зростаючі, спадні, неспадні та незростаючі послідовності називаються монотонними, а зростаючі і спадні – строго монотонними.
Не завжди зручно для з'ясування питання про існування границі послідовності використовувати означення границі. Простіше це зробити за допомогою ознак існування границі.
Теорема
1
(Вейєрштрасса). Якщо послідовність
монотонна і обмежена, то вона має границю.
Дану
теорему використовують для доведення
існування границі послідовності
.
Цю границю прийнято позначати
буквою
:
.
Можна довести, що число
– ірраціональне,
.
Число
( число Ейлера ) відіграє важливу роль
в математичному аналізі. Широко
використовують логарифми за основою
,
які називають натуральними. Число
з'являється і в деяких економічних
задачах.
Теорема
2.
Якщо
,
і для
,
,
тоді і
.
Завдання для самостійного розв’язування.
2.1 Скориставшись означенням границі довести, що
а)
. б)
.
2.2
Впевнитись, що послідовність
не має границі при необмеженому зростанні
.
