Jump to content

Предел последовательности

(Перенаправлено из нулевой последовательности )
схема шестиугольника и пятиугольника, описанных вне круга
Последовательность, заданная периметрами правильных n- сторонних многоугольников , описывающих единичную окружность, имеет предел, равный периметру окружности, т.е. . Соответствующая последовательность для вписанных многоугольников имеет тот же предел.
1 0.841471
2 0.958851
...
10 0.998334
...
100 0.999983

Как положительное целое число становится все больше и больше, значение становится сколь угодно близким к . Мы говорим, что «предел последовательности равно ."

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 .

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 ]
График сходящейся последовательности { a n } показан синим цветом. Здесь видно, что последовательность сходится к пределу 0 с увеличением n .

В действительных числах число является пределом последовательности , если числа в последовательности становятся все ближе и ближе к , а не на какое-либо другое число.

  • 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 ]

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
[5]
[5]
[5]
предоставил [5]
  • 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 ]
График последовательности Коши ( x n ), показанный синим цветом, как против н . Визуально мы видим, что последовательность приближается к предельной точке, поскольку члены последовательности становятся ближе друг к другу по мере увеличения n . В действительных числах каждая последовательность Коши сходится к некоторому пределу.

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:

Для каждого района из , существует некоторый такой, что для каждого , у нас есть . [9]

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.

  • 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 ]

Примечания

[ редактировать ]
  1. ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Текущий (1961), с. 29.
  2. ^ Вайсштейн, Эрик В. «Сходящаяся последовательность» . mathworld.wolfram.com . Проверено 18 августа 2020 г.
  3. ^ Текущий (1961), с. 39.
  4. ^ Ван Лой, Х. (1984). Хронология и исторический анализ математических рукописей Григория Великого (1584–1667). Математическая история, 11 (1), 57–75.
  5. ^ 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.
  6. ^ Вайсштейн, Эрик В. «Лимит» . mathworld.wolfram.com . Проверено 18 августа 2020 г.
  7. ^ Дугунджи 1966 , стр. 209–210.
  8. ^ Часар 1978 , с. 61.
  9. ^ 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 .
  10. ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Закон, Элиас (2011). «Глава 4. Пределы функций и непрерывность». Математический анализ, том I. п. 223. ИСБН  9781617386473 .
  11. ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Хабиль, Эйсса (2005). «Двойные последовательности и двойные серии» . Проверено 28 октября 2022 г.

Доказательства

[ редактировать ]
  1. ^ Доказательство : Выберите . Для каждого ,
  2. ^ Доказательство : выберите ( функция пола ). Для каждого , .
[ редактировать ]
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: cf5f62c33b58023f7b4df12b1b3b7bf4__1716299820
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/cf/f4/cf5f62c33b58023f7b4df12b1b3b7bf4.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Limit of a sequence - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)