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Infinitesimalrechnung

19. Folgen

Eine (reelle, unendliche) Folge ist eine Abbildung von den natürlichen Zahlen in die reellen Zahlen, so dass

jeder

natürlichen Zahl

n genau eine

reelle Zahl

a n

zugeordnet wird.

Eine (reelle, unendliche) Folge ist eine Abbildung von den natürlichen Zahlen in die reellen Zahlen, so dass

jeder

natürlichen Zahl

n genau eine

reelle Zahl

a n

zugeordnet wird. (

n

) = 1, 2, 3, ...     (

a n

) =

a

1 ,

a

2 ,

a

3 , ...

Eine (reelle, unendliche) Folge ist eine Abbildung von den natürlichen Zahlen in die reellen Zahlen, so dass

jeder

natürlichen Zahl

n genau eine

reelle Zahl

a n

zugeordnet wird. (

n

) = 1, 2, 3, ...     (

a n

) =

a

1 ,

a

2 ,

a

3 , ...

n

-tes Glied der Folge:

a n

Eine (reelle, unendliche) Folge ist eine Abbildung von den natürlichen Zahlen in die reellen Zahlen, so dass

jeder

natürlichen Zahl

n genau eine

reelle Zahl

a n

zugeordnet wird. (

n

) = 1, 2, 3, ...     (

a n

) =

a

1 ,

a

2 ,

a

3 , ...

n

-tes Glied der Folge:

a n

die ganze Folge: (

a n

)

Eine (reelle, unendliche) Folge ist eine Abbildung von den natürlichen Zahlen in die reellen Zahlen, so dass

jeder

natürlichen Zahl

n genau eine

reelle Zahl

a n

zugeordnet wird. (

n

) = 1, 2, 3, ...     (

a n

) =

a

1 ,

a

2 ,

a

3 , ...

n

-tes Glied der Folge:

a n

die ganze Folge: (

a n

) beschränkte Folge: 

n

  :

S -

a n

S +

Aufzählung Bildungsgesetz Rekursionsformel Anfangsglied (

a n

) = 2, 4, 6, 8, 10, ...

a n

= 2

n

(

b n

) = 8, 10, 12, 14, ...

b n

= 2(

n

+ 3) (

c n

) = 2, 4, 8, 16, 32, ...

c n

= 2

n

( (

d n

) = 1, 4, 9, 16, 25, ...

d n

=

n

2

e n

) = 9, 16, 25, 36, ...

e n

= (

n

+ 2) 2 ( (

f n

) = 1,1/2 ,1/3 ,1/4 , ...

f n

= 1/

n g n

) = -1, 1, -1, 1, -1, ...

g n

= (-1) n

a b c n d n e

1/

g n n n n f n

= 2 + = 2 + = 2

c n

-1 = (1 + 

d n

-1 ) 2 = (1 + = 1 + 1/ = -

g n

-1

a b

n n

-1 -1

e f n n

-1 -1 ) 2

f a b c d e g

1 1 1 1 1 1 1 = 2 = 8 = 2 = 1 = 9 = 1 = -1

Ein Häufungspunkt einer Folge ist eine Zahl

h

, in deren Umgebung (

h

e ,

h

+ e ) für

jedes

e > 0 unendlich viele Glieder der Folge liegen.

Ein Häufungspunkt einer Folge ist eine Zahl

h

, in deren Umgebung (

h

e ,

h

+ e ) für

jedes

e > 0 unendlich viele Glieder der Folge liegen.

Satz von Bolzano und Weierstraß: Jede beschränkte unendliche Folge besitzt mindestens einen Häufungspunkt.

Besitzt eine beschränkte Folge nur einen Häufungspunkt, so heißt dieser Häufungspunkt Grenzwert der Folge.

Bernard Bolzano (1781 - 1848) Karl Weierstraß (1815 - 1897)

Satz von Bolzano und Weierstraß: Jede beschränkte unendliche Folge besitzt mindestens einen Häufungspunkt.

Besitzt eine beschränkte Folge nur einen Häufungspunkt, so heißt dieser Häufungspunkt Grenzwert der Folge.

Eine Folge (

a

n

) konvergiert gegen den endlichen Grenzwert

a

, wenn zu

jedem

e

> 0 eine Zahl

n

e  

existiert, so dass für alle

n

n

e

gilt:

|

a n

-

a

| < e    lim n  

a n

=

a

oder kurz (

a n

) 

a

Bernard Bolzano (1781 - 1848) Karl Weierstraß (1815 - 1897)

Satz. Jede Folge enthält eine monotone Teilfolge .

a n

heißt Spitze der Folge, wenn

a n

a m

für 

m

>

n

.

Eine Folge besitzt endlich viele oder unendlich viele Spitzen.

Jede beschränkte Folge enthält eine konvergente Teilfolge.

Die Folge ( eine natürliche Zahl | a n – a n ) konvergiert genau dann, wenn es zu jedem a m | < e n e   (19.3) gibt, so dass für m , n ≥ n e gilt e > 0 Augustin Louis Cauchy (1789 - 1857)

(  ) ( a n ) sei konvergent. | a n e > | a n – a | + | a – a m | ≥ | a n (  ) Nun gelte (19.3). ( – | a n e > | – a a n nk | < a nk e /2 und | | + | a nk – a a a n nk ) ist beschränkt und enthält ( – a a n – a | < – a | < e /2 und | a + a e a – a m | = | a n /2 nk + a nk – a – – | = | a a a m n m | | < – a | e /2.

a nk )  a .

Die Folge ( eine natürliche Zahl | a n – a n ) konvergiert genau dann, wenn es zu jedem a m | < e n e   (19.3) gibt, so dass für m , n ≥ n e gilt e > 0 Eine konvergente Folge nennt man deshalb auch Cauchy-Folge .

In den reellen Zahlen besitzt jede Cauchy-Folge einen Grenzwert, in den rationalen Zahlen nicht.

Augustin Louis Cauchy (1789 - 1857)

Irrationale Zahlen lassen sich als Grenzwerte von Folgen rationaler Zahlen definieren.

x

= 

k k x

2 =

k

2

x

2 =

x

2

x

x

2 

k

2

x

+

a n

 1 

a n

2 

k

2

a n

Augustin Louis Cauchy (1789 - 1857)

Irrationale Zahlen lassen sich als Grenzwerte von Folgen rationaler Zahlen definieren.

x

= 

k k x

2 =

k

2

x

2 =

x

2

x

x

2 

k

2

x

+

a n

 1 

a n

2 

k

2

a n

x

=

3  

2

x

3

=

x

3

+

k

 

a

n

+1

=

1 2 (

a n

k a

2

n

) Übung: Man setze

a

1 = 1 und berechne die dritte Wurzel aus 7 auf vier zählende Stellen genau.

Satz. Seien (

a n

) und (

b n

) konvergente Folgen und

c

  , dann gilt: (

c .

a n

) = c .

a n

(

a n

+

b n

) = (

a n

) + (

b n

) (

a n . b n

) = (

a n

)(

b n

)

a n c

= (

a n

)

c

, falls

a n c

und (

a n

)

c

existieren

Satz. Seien (

a n

) und (

b n

) konvergente Folgen und

c

  , dann gilt: (

c .

a n

) = c .

a n

(

a n

+

b n

) = (

a n

) + (

b n

) (

a n . b n

) = (

a n

)(

b n

)

a n c

= (

a n

)

c

, falls

a n c

und (

a n

)

c

existieren Satz. Eine Folge (

a n

) konvergiert gegen den Grenzwert

a

, wenn die Folge (

a n

-

a

) eine Nullfolge ist. Satz. Ist

a n

b n

für fast alle

n

, dann gilt Minorante Majorante

a n

b n

.

Übung: Man bestimme die Grenzwerte der unten definierten Folgen oder stelle ihre Divergenz fest (große Buchstaben bezeichnen positive reelle Zahlen).

a n

=

n

-1/2

b n

=

U

Vn

Wn

2

Un

n

2 .

n

(

J

Kn

)

I n Kn

2 .

n

5 

Cn

4

D

n

5

E

2

c n

=

A n

 

B n d n

=

L

(

Kn

3 / 4

n

( 7  

Mn

5 / 8 )

L

4

n

) + ( 5

n Ln

6  3

n

2 

n

3 ) 2 +

Un

1

n

2 1 2 ( 1   1 1

n Vn

3   1

n

2 1 )

Wn

4 +

G n H

Leonardo von Pisa (1170 - 1240) Fibonacci