3. Невизначені вирази.

Нехай і . Виникає питання, що можна сказати про границю ? Виявляється, що ця границя залежно від окремого закону поведінки змінних та може приймати різні значення або взагалі не існувати.

Приклади.

1. Якщо і , то .

2. Якщо і , то .

3. Якщо і , то .

4. Якщо і , то та не існує.

Отже, лише значення границь числових послідовностей , не дозволяє у розглянутому вище випадку робити висновки про значення границі їх відношення. Для того, щоб схарактеризувати цю особливість, говорять, що за умови і вираз є невизначеністю типу .

Аналогічно невизначеними виразами є:

а) у випадку і вираз є невизначеністю типу ;

б) у випадку і вираз є невизначеністю типу ;

в) у випадку та вираз є невизначеністю типу .

Для визначення границь невизначених виразів типу часто може застосовуватися теорема Штольца, яку ми наведемо без доведення

Теорема. Якщо послідовності такі, що

1) починаючи з деякого номера

2) ;

3) існує

то .

ЛЕКЦІЯ 7

9. Граничний перехід у нерівностях.

10. Монотонні послідовності.

11. Число е.

12. Теорема про вкладені відрізки.

1. Граничний перехід у нерівностях

Теорема . Якщо елементи збіжної послідовності , починаючи з деякого номера , задовольняють нерівність , то і границя цієї послідовності задовольняє нерівність .

Доведення. Нехай, починаючи з деякого номера , елементи збіжної послідовності задовольняють нерівність і . Припустимо, що . Оскільки , то для існує номер такий, що для виконується нерівність , яка рівносильна нерівності . Тоді із нерівності одержуємо: , що суперечить умові. Отже, .

Випадок доводиться аналогічно.

Наслідок 1. Якщо елементи збіжних послідовностей і , починаючи з деякого номера , задовольняють нерівність , то .

Нехай, починаючи з деякого номера, виконується нерівність . Тоді для таких . Отже, , а тому . Звідси маємо . Другий випадок установлюється аналогічно.

Теорема. Нехай члени послідовностей , , , починаючи з деякого номера, задовольняють нерівність і . Тоді послідовність збіжна й .

Доведення. Задамо довільне число . Тоді для заданого знайдеться такий номер , що для виконуватиметься нерівність , тобто . Для цього ж знайдеться такий номер , що для , тобто .

Виберемо . Тоді виконуватиметься нерівність

для всіх .

Ураховуючи умову теореми, маємо

або , тобто для всіх . Звідси випливає, що .

2. Монотонні послідовності

Послідовність називається неспадною ( незростаючою ), якщо виконується нерівність для усіх .

Неспадні та незростаючі послідовності називаються монотонними.

Якщо для всіх членів монотонної послідовності виконується строга нерівність , то послідовність називається зростаючою (спадною). Зростаючі та спадні послідовності називаються також строго монотонними.

З означення випливає, що монотонні послідовності обмежені принаймні з однієї сторони: неспадна обмежена знизу, а незростаюча – зверху.

Теорема. Монотонна обмежена послідовність збіжна.

Доведення. Розглянемо випадок неспадної послідовності .

Отже, нехай для усіх виконуються наступні умови:

1. ;

2. існує таке число , що .

Розглянемо числову множину , яка складається з усіх елементів послідовності . За умовою ця множина непорожня і обмежена зверху, а тому має точну верхню межу.

Позначимо . Покажемо, що .

Оскільки  точна верхня межа елементів послідовності , то, згідно з властивістю точної верхньої межі, для будь-якого існує номер такий, що . Так як послідовність неспадна, то при виконується нерівність . З іншого боку, згідно з означенням точної верхньої межі, для всіх . Таким чином, при маємо нерівність , тобто при . Отже, .

Для випадку незростаючої послідовності доведення аналогічне.

*** Із теорем 2.5** і 2.8** випливає, що обмеженість монотонної послідовності є необхідною і достатньою умовою її збіжності.