Предел последовательности
Эта статья нуждается в дополнительных цитатах для проверки . ( май 2017 г. ) |
1 | 0.841471 |
2 | 0.958851 |
... | |
10 | 0.998334 |
... | |
100 | 0.999983 |
В математике предел последовательности — это значение, к которому «стремятся» члены последовательности , и его часто обозначают с помощью символ (например, ). [1] Если такой предел существует, последовательность называется сходящейся . [2] Последовательность, которая не сходится, называется расходящейся . [3] Говорят, что предел последовательности является фундаментальным понятием, на котором в конечном итоге основывается весь математический анализ . [1]
Пределы могут быть определены в любом метрическом или топологическом пространстве , но обычно сначала они встречаются в действительных числах .
История
[ редактировать ]Греческий философ Зенон Элейский известен формулировкой парадоксов, включающих ограничивающие процессы .
Левкипп , Демокрит , Антифон , Евдокс и Архимед разработали метод исчерпания , который использует бесконечную последовательность приближений для определения площади или объема. Архимеду удалось суммировать то, что сейчас называют геометрической прогрессией .
Грегуар де Сен-Венсан дал первое определение предела (конца) геометрической серии в своей работе Opus Geometricum (1647): « Конечная точка прогрессии — это конец ряда, которого не может достичь ни одна прогрессия, даже если она продолжается в бесконечности, но к которому она может приблизиться ближе, чем к данному отрезку». [4]
Пьетро Менголи предвосхитил современную идею ограничения последовательности своим исследованием квазипропорций в Geometriae speciosae elementa (1659 г.). Он использовал термин «квазибесконечный» для обозначения неограниченности и «квазинулевой» для обозначения исчезновения .
Ньютон рассматривал ряды в своих работах « Анализ с бесконечными рядами» (написан в 1669 г., распространен в рукописи, опубликован в 1711 г.), «Метод флюксий и бесконечных рядов» (написан в 1671 г., опубликован в английском переводе в 1736 г., латинский оригинал опубликован гораздо позже). и Tractatus de Quadratura Curvarum (написанный в 1693 году, опубликованный в 1704 году как приложение к его «Оптике» ). В последней работе Ньютон рассматривает биномиальное разложение , который он затем линеаризует, принимая предел как имеет тенденцию .
В 18 веке математикам, таким как Эйлер, удалось суммировать некоторые расходящиеся ряды, остановившись в нужный момент; их не очень заботило, существует ли предел, лишь бы его можно было вычислить. В конце века Лагранж в своей «Теории аналитических функций» (1797) высказал мнение, что отсутствие строгости препятствует дальнейшему развитию исчисления. Гаусс в своем этюде о гипергеометрических рядах (1813) впервые строго исследовал условия, при которых ряд сходится к пределу.
Современное определение предела (для любого существует индекс так что...) было дано Бернаром Больцано ( Der bomische Lehrsatz , Прага, 1816 г., на которое в то время мало обращали внимания), и Карлом Вейерштрассом в 1870-х годах.
Реальные числа
[ редактировать ]В действительных числах число является пределом последовательности , если числа в последовательности становятся все ближе и ближе к , а не на какое-либо другое число.
Примеры
[ редактировать ]- Если для постоянного , затем . [доказательство 1] [5]
- Если , затем . [доказательство 2] [5]
- Если когда четный, и когда странно, тогда . (Тот факт, что в любое время странно, не имеет значения.)
- Учитывая любое действительное число, можно легко построить последовательность, сходящуюся к этому числу, используя десятичные приближения. Например, последовательность сходится к . Десятичное представление - это предел предыдущей последовательности, определяемый формулой
- Нахождение предела последовательности не всегда очевидно. Два примера: (пределом которого является число e ) и среднее арифметико-геометрическое . Теорема о сжатии часто оказывается полезной при установлении таких пределов.
Определение
[ редактировать ]Мы звоним предел последовательности , что написано
- , или
- ,
если выполняется следующее условие:
- Для каждого действительного числа , существует натуральное число такая, что для любого натурального числа , у нас есть . [6]
Другими словами, для каждой меры близости , члены последовательности в конечном итоге настолько близки к пределу. Последовательность говорят, что он сходится или стремится к пределу .
Символически это:
- .
Если последовательность сходится к некоторому пределу , то оно сходится и это единственный предел; в противном случае расходится . Последовательность, предел которой равен нулю, иногда называется нулевой последовательностью .
Иллюстрация
[ редактировать ]- Пример последовательности, сходящейся к пределу .
- Независимо от того, какой у нас есть, есть индекс , так что последовательность впоследствии полностью лежит в эпсилон-трубке .
- Есть и для меньшего размера индекс , так что последовательность впоследствии оказывается внутри эпсилон-трубки .
- Для каждого за пределами эпсилон-трубки существует лишь конечное число членов последовательности.
Характеристики
[ редактировать ]Некоторые другие важные свойства пределов реальных последовательностей включают следующее:
- Если он существует, предел последовательности уникален. [5]
- Пределы последовательностей хорошо ведут себя по отношению к обычным арифметическим операциям . Если и существует, то
- Для любой непрерывной функции , если существует, то тоже существует. Действительно, любая действительная функция является непрерывным тогда и только тогда, когда он сохраняет пределы последовательностей (хотя это не обязательно верно при использовании более общих понятий непрерывности).
- Если для всех больше, чем некоторые , затем .
- ( Теорема о сжатии ) Если для всех больше, чем некоторые , и , затем .
- ( Теорема о монотонной сходимости ) Если ограничен монотонен и всех для больше, чем некоторые , то оно сходится.
- Последовательность сходится тогда и только тогда, когда сходится каждая подпоследовательность.
- Если каждая подпоследовательность последовательности имеет свою собственную подпоследовательность, сходящуюся к той же точке, то исходная последовательность сходится к этой точке.
Эти свойства широко используются для доказательства пределов без необходимости непосредственно использовать громоздкое формальное определение. Например, если доказано, что , становится легко показать (используя приведенные выше свойства), что (предполагая, что ).
Бесконечные пределы
[ редактировать ]Последовательность говорят, стремится к бесконечности , написано
- , или
- ,
если имеет место следующее:
- Для каждого действительного числа , существует натуральное число такая, что для любого натурального числа , у нас есть ; то есть члены последовательности в конечном итоге превышают любые фиксированные .
Символически это:
- .
Аналогично мы говорим, что последовательность стремится к минус бесконечности , записывая
- , или
- ,
если имеет место следующее:
- Для каждого действительного числа , существует натуральное число такая, что для любого натурального числа , у нас есть ; то есть члены последовательности в конечном итоге меньше любых фиксированных .
Символически это:
- .
Если последовательность стремится к бесконечности или минус бесконечности, то она расходится. Однако расходящаяся последовательность не обязательно должна стремиться к плюс-минус бесконечности, и последовательность приводит один такой пример.
Метрические пространства
[ редактировать ]Определение
[ редактировать ]точка метрического пространства является пределом последовательности если:
- Для каждого действительного числа , существует натуральное число такая, что для любого натурального числа , у нас есть .
Символически это:
- .
Это совпадает с определением, данным для действительных чисел, когда и .
Характеристики
[ редактировать ]- Когда он существует, предел последовательности уникален, поскольку отдельные точки разделены некоторым положительным расстоянием, поэтому для меньше половины этого расстояния, члены последовательности не могут находиться на расстоянии обеих точек.
- Для любой непрерывной функции f , если существует, то . Фактически, функция f непрерывна тогда и только тогда, когда она сохраняет пределы последовательностей.
Последовательности Коши
[ редактировать ]Последовательность Коши — это последовательность, члены которой в конечном итоге становятся сколь угодно близкими друг к другу после того, как было отброшено достаточно много начальных членов. Понятие последовательности Коши важно при изучении последовательностей в метрических пространствах и, в частности, в реальном анализе . Одним из особенно важных результатов реального анализа является критерий Коши сходимости последовательностей : последовательность действительных чисел сходится тогда и только тогда, когда она является последовательностью Коши. Это остается верным и в других полных метрических пространствах .
Топологические пространства
[ редактировать ]Определение
[ редактировать ]точка топологического пространства это ограничить или предельная точка [7] [8] последовательности если:
Это совпадает с определением, данным для метрических пространств, если является метрическим пространством и топология, созданная .
Предел последовательности точек в топологическом пространстве является частным случаем предела функции : область определения в космосе , с индуцированной топологией аффинно расширенной системы действительных чисел , диапазон равен и аргумент функции имеет тенденцию , которая в этом пространстве является предельной точкой .
Характеристики
[ редактировать ]В хаусдорфовом пространстве пределы последовательностей уникальны, если они существуют. Это не обязательно должно быть так в нехаусдорфовых пространствах; в частности, если две точки и , топологически неразличимы то любая последовательность, сходящаяся к должен сходиться к и наоборот.
Гиперреальные числа
[ редактировать ]Определение предела с использованием гипердействительных чисел формализует интуитивное представление о том, что для «очень большого» значения индекса соответствующий член «очень близок» к пределу. Точнее, реальная последовательность стремится к L, если для любого бесконечного сверхъестественного , термин бесконечно близок к (т.е. разница бесконечно мал ). Эквивалентно, L является стандартной частью :
- .
Таким образом, предел можно определить по формуле
- .
где предел существует тогда и только тогда, когда правая часть не зависит от выбора бесконечного .
Последовательность более чем одного индекса
[ редактировать ]Иногда можно также рассмотреть последовательность с более чем одним индексом, например, двойную последовательность. . Эта последовательность имеет предел если он становится все ближе и ближе к когда и n, и m становятся очень большими.
Пример
[ редактировать ]- Если для постоянного , затем .
- Если , затем .
- Если , то предела не существует. В зависимости от относительной «скорости роста» и , эта последовательность может приблизиться к любому значению между и .
Определение
[ редактировать ]Мы звоним двойной предел последовательности , написано
- , или
- ,
если выполняется следующее условие:
- Для каждого действительного числа , существует натуральное число такая, что для каждой пары натуральных чисел , у нас есть . [10]
Другими словами, для каждой меры близости , члены последовательности в конечном итоге настолько близки к пределу. Последовательность говорят, что он сходится или стремится к пределу .
Символически это:
- .
Двойной предел отличается от ограничения сначала в n , а затем в m . Последний известен как итерированный предел . Учитывая, что существуют и двойной предел, и повторный предел, они имеют одно и то же значение. Однако возможно, что один из них существует, а другой нет.
Бесконечные пределы
[ редактировать ]Последовательность говорят, стремится к бесконечности , написано
- , или
- ,
если имеет место следующее:
- Для каждого действительного числа , существует натуральное число такая, что для каждой пары натуральных чисел , у нас есть ; то есть члены последовательности в конечном итоге превышают любые фиксированные .
Символически это:
- .
Аналогично, последовательность стремится к минус бесконечности , записано
- , или
- ,
если имеет место следующее:
- Для каждого действительного числа , существует натуральное число такая, что для каждой пары натуральных чисел , у нас есть ; то есть члены последовательности в конечном итоге меньше любых фиксированных .
Символически это:
- .
Если последовательность стремится к бесконечности или минус бесконечности, то она расходится. Однако расходящаяся последовательность не обязательно должна стремиться к плюс-минус бесконечности, и последовательность приводит один такой пример.
Поточечные пределы и равномерные пределы
[ редактировать ]Для двойной последовательности , мы можем взять предел по одному из индексов, скажем, , чтобы получить одну последовательность . Фактически, есть два возможных значения при принятии этого предела. Первый из них называется поточечным пределом и обозначается
- , или
- ,
что означает:
- Для каждого действительного числа и каждое фиксированное натуральное число , существует натуральное число такая, что для любого натурального числа , у нас есть . [11]
Символически это:
- .
Когда такой предел существует, мы говорим, что последовательность сходится поточечно к .
Второй называется равномерным пределом и обозначается
- ,
- ,
- , или
- ,
что означает:
- Для каждого действительного числа , существует натуральное число такая, что для любого натурального числа и для каждого натурального числа , у нас есть . [11]
Символически это:
- .
В этом определении выбор не зависит от . Другими словами, выбор ко равномерно применим всем натуральным числам . Следовательно, легко видеть, что равномерная сходимость является более сильным свойством, чем поточечная сходимость: существование равномерного предела влечет за собой существование и равенство поточечного предела:
- Если равномерно, тогда точечно.
Когда такой предел существует, мы говорим, что последовательность сходится равномерно к .
Повторный предел
[ редактировать ]Для двойной последовательности , мы можем взять предел по одному из индексов, скажем, , чтобы получить одну последовательность , а затем возьмем предел по другому индексу, а именно , чтобы получить номер . Символически,
- .
Этот предел известен как итерированный предел двойной последовательности. Порядок взятия пределов может повлиять на результат, т.е.
- в общем.
Достаточное условие равенства даёт теорема Мура-Осгуда , которая требует предела быть единообразным в . [10]
См. также
[ редактировать ]- Предельная точка
- Последующий лимит
- Ограничьте верхнее и ограничьте худшее
- Предел функции
- Предел последовательности функций
- Предел последовательности наборов
- Предел сети
- Поточечная сходимость
- Равномерная сходимость
- Способы конвергенции
Примечания
[ редактировать ]- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Текущий (1961), с. 29.
- ^ Вайсштейн, Эрик В. «Сходящаяся последовательность» . mathworld.wolfram.com . Проверено 18 августа 2020 г.
- ^ Текущий (1961), с. 39.
- ^ Ван Лой, Х. (1984). Хронология и исторический анализ математических рукописей Григория Великого (1584–1667). Математическая история, 11 (1), 57–75.
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с д и ж г «Пределы последовательностей | Brilliant Math & Science Wiki» . блестящий.орг . Проверено 18 августа 2020 г.
- ^ Вайсштейн, Эрик В. «Лимит» . mathworld.wolfram.com . Проверено 18 августа 2020 г.
- ^ Дугунджи 1966 , стр. 209–210.
- ^ Часар 1978 , с. 61.
- ^ Зейдлер, Эберхард (1995). Прикладной функциональный анализ: основные принципы и их приложения (1-е изд.). Нью-Йорк: Springer-Verlag. п. 29. ISBN 978-0-387-94422-7 .
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Закон, Элиас (2011). «Глава 4. Пределы функций и непрерывность». Математический анализ, том I. п. 223. ИСБН 9781617386473 .
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Хабиль, Эйсса (2005). «Двойные последовательности и двойные серии» . Проверено 28 октября 2022 г.
Доказательства
[ редактировать ]- ^ Доказательство : Выберите . Для каждого ,
- ^ Доказательство : выберите ( функция пола ). Для каждого , .
Ссылки
[ редактировать ]- Часар, Акош (1978). Общая топология . Перевод Часара, Клары. Adam Hilger Ltd. Бристоль, Англия: ISBN 0-85274-275-4 . ОСЛК 4146011 .
- Дугунджи, Джеймс (1966). Топология . Бостон: Аллин и Бэкон. ISBN 978-0-697-06889-7 . OCLC 395340485 .
- Курант, Ричард (1961). «Дифференциальное и интегральное исчисление, том I», Blackie & Son, Ltd., Глазго.
- Фрэнк Морли и Джеймс Харкнесс. Трактат по теории функций (Нью-Йорк: Macmillan, 1893).
Внешние ссылки
[ редактировать ]- «Предел» , Энциклопедия математики , EMS Press , 2001 [1994]
- История исчисления , включая пределы