Помощничек
Главная | Обратная связь


Археология
Архитектура
Астрономия
Аудит
Биология
Ботаника
Бухгалтерский учёт
Войное дело
Генетика
География
Геология
Дизайн
Искусство
История
Кино
Кулинария
Культура
Литература
Математика
Медицина
Металлургия
Мифология
Музыка
Психология
Религия
Спорт
Строительство
Техника
Транспорт
Туризм
Усадьба
Физика
Фотография
Химия
Экология
Электричество
Электроника
Энергетика

Числовые последовательности и операции над ними



 

Числовые последовательности представляют собой беско­нечные множества чисел. Примерами последовательностей мо­гут служить: последовательность всех членов бесконечной гео­метрической прогрессии, последовательность приближенных значений (x1 = 1, х2 = 1,4, х3 = 1,41, ...), последовательность периметров правильных n-угольников, вписанных в данную окружность. Уточним понятие числовой последова­тельности.

Определение 1. Если каждому числу n из натурального ряда чисел 1, 2, 3,..., п,... поставлено в соответствие вещественное число xп, то множество вещественных чисел

 

x1, x2, x3, …, xn, … (2.1)

 

называется числовой последовательностью, или просто после­довательностью. .

Числа х1, x2, x3, ..., xп, ... будем называть элемента­ми, или членами последовательности (2.1), символ xпоб­щим элементом, или членом последовательности, а число п — его номером. Сокращенно последовательность (2.1) будем обо­значать символом п}. Например, символ {1/n} обозначает последовательность чисел

 

.

 

Иными словами, под последовательностью можно понимать бесконечное множество занумерованных элементов или мно­жество пар чисел (п, xп), в которых первое число принимает последовательные значения 1, 2, 3, ... . Последовательность считается заданной, если указан способ получения любого ее элемента. Например, формула xп = -1 + (-1)n определяет последовательность 0, 2, 0, 2,... .

Геометрически последовательность изображается на число­вой оси в виде последовательности точек, координаты кото­рых равны соответствующим членам последовательности. На рис. 2.1 изображена последовательность {хп} = {1/n} на чи­словой прямой.

 

 

Понятие сходящейся последовательности

Определение 2. Число а называется пределом последова­тельности {xn}, если для любого положительного числа ε су­ществует такой номер N, что при всех п > N выполняется неравенство

 

(2.2)

 

Последовательность, имеющая предел, называется сходя­щейся. Если последовательность имеет своим пределом число а, то это записывается так:

 

 

Последовательность, не имеющая предела, называется рас­ходящейся.

Определение 3. Последовательность, имеющая своим преде­лом число а = 0, называется бесконечно малой последователь­ностью.

Замечание 1. Пусть последовательность {хп} имеет своим пределом число а. Тогда последовательность {αn}= {xn — a} есть бесконечно малая, т.е. любой элемент xп сходящейся последовательности, имеющей предел а, можно представить в виде

 

 

где αnэлемент бесконечно малой последовательности {αn}.

Замечание 2. Неравенство (2.2) эквивалентно неравен­ствам (см. свойство 4 модуля числа из п. 1.5)

 

 

 

Это означает, что при п > N все элементы последователь­ности {xn} находятся в ε-окрестности точки а (рис. 2.2), причем номер N определяется по величине ε.

Интересно дать геометрическую интерпретацию этого определения. Поскольку последовательность представляет со­бой бесконечное множество чисел, то если она сходится, в лю­бой ε-окрестности точки а на числовой прямой находится бес­конечное число точек — элементов этой последовательности, тогда как вне ε-окрестности остается конечное число элемен­тов. Поэтому предел последовательности часто называют точ­кой сгущения.

Замечание 3. Неограниченная последовательность не имеет конечного предела. Однако она может иметь бесконеч­ный предел, что записывается в следующем виде:

 

(2.3)

 

Если при этом начиная с некоторого номера все члены по­следовательности положительны (отрицательны), то пишут

 

 

Если {xn} — бесконечно малая последовательность, то {1/xп} — бесконечно большая последовательность, имеющая бесконечный предел в смысле (2.3), и наоборот.

Приведем примеры сходящихся и расходящихся последова­тельностей.

Пример 1. Показать, используя определение предела последовательности, что .

Решение. Возьмем любое число ε > 0. Так как

 

 

то чтобы выполнялось неравенство (2.2), достаточно решить неравенство 1 / (n + 1) < ε, откуда получаем n > (1 — ε) / ε. Доста­точно принять N = [(1 — ε)/ε] (целая часть числа (1 — ε)/ ε)* , чтобы неравенство |xп — 1| < ε выполнялосьпривсех п > N.

* Символ [a] означает целую часть числа а, т.е. наибольшее целое число, не превосходящееа. Например,[2] = 2, [2,5] = 2, [0,8] = 0, [-0, 5] = -1, [-23,7] = -24.

Пример 2. Показать, что последовательность {хп} = (-1)n, или -1, 1, -1, 1,... не имеет предела.

Решение. Действительно, какое бы число мы ни предпо­ложили в качестве предела: 1 или —1, при ε < 0,5 неравенство (2.2), определяющее предел последовательности, не удовлетво­ряется — вне ε -окрестности этих чисел остается бесконечное число элементов xп: все элементы с нечетными номерами рав­ны —1, элементы с четными номерами равны 1.

 

Основные свойства сходящихся последовательностей

 

Приведем основные свойства сходящихся последовательнос­тей, которые в курсе высшей математики сформулированы в виде теорем.

 

1. Если все элементы бесконечно малой последователь­ности {хп} равны одному и тому же числу с, то с = 0.

2. Сходящаяся последовательность имеет только один предел.

3. Сходящаяся последовательность ограничена.

4. Сумма (разность) сходящихся последовательностей {хп} и {уп} есть сходящаяся последовательность, предел которой равен сумме (разности) пределов последо­вательностей {xп} и {yп}.

5. Произведение сходящихся последовательностей {хп} и {уп} есть сходящаяся последовательность, предел ко­торой равен произведению пределов последовательностей {хп} и {уп}.

6. Частное двух сходящихся последовательностей {хп} и {уп} при условии, что предел последовательности {уп} отличен от нуля, есть сходящаяся последователь­ность, предел которой равен частному пределов после­довательностей {хп} и {yп}.

7. Если элементы сходящейся последовательности {хn} удовлетворяют неравенству xп ≥ b (хп ≤ b) начиная с некоторого номера, то и предел а этой последова­тельности удовлетворяет неравенству а ≥ b (а ≤ b).

8. Произведение бесконечно малой последовательности на ограниченную последовательность или на число есть бесконечно малая последовательность.

9. Произведение конечного числа бесконечно малых после­довательностей есть бесконечно малая последователь­ность.

 

Рассмотрим применение этих свойств на примерах.

Пример 3. Найти предел .

Решение. При n числитель и знаменатель дроби стремятся к бесконечности, т.е. применить сразу теорему о пределе частного нельзя, так как она предполагает сущест­вование конечных пределов последовательностей. Преобразу­ем данную последовательность, разделив числитель и знаме­натель на n2. Применяя затем теоремы о пределе частного, пределе суммы и снова пределе частного, последовательно на­ходим

 

Пример 4. Найти предел последовательности {xп} = при п .

Решение. Здесь, как и в предыдущем примере, числитель и знаменатель не имеют конечных пределов, и потому снача­ла необходимо выполнить соответствующие преобразования. Поделив числитель и знаменатель на n, получаем

 

 

Поскольку в числителе стоит произведение бесконечно малой последовательности на ограниченную последовательность,то в силу свойства 8 окончательно получаем

 

Пример 5. Найти предел последовательности {хп} = при п .

Решение. Здесь применить непосредственно теорему о пределе суммы (разности) последовательностей нельзя, так как не существует конечных пределов слагаемых в формуле для {хп}. Умножим и разделим формулу для {хn} на сопряженное выражение :

 

 

Число е

 

Рассмотрим последовательность {хп}, общий член которой выражается формулой

 

В курсе математического анализа доказывается, что эта последовательность монотонно возрастает и имеет предел. Этот предел называют числом е. Следовательно, по определе­нию

 

 

Число е играет большую роль в математике. Далее будет рассмотрен способ его вычисления с любой требуемой точнос­тью. Отметим здесь, что число е является иррациональным; его приближенное значение равно е = 2,7182818... .




©2015 studenchik.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.