ЛЕКЦИЯ № 15. ЧИСЛОВЫЕ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ

Вопрос 15.1. Подпоследовательности.

Определение 15.1. Пусть дана последовательность ЛЕКЦИЯ № 15. ЧИСЛОВЫЕ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ - student2.ru и возрастающая последовательность натуральных чисел

ЛЕКЦИЯ № 15. ЧИСЛОВЫЕ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ - student2.ru

тогда последовательность ЛЕКЦИЯ № 15. ЧИСЛОВЫЕ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ - student2.ru называется подпоследовательностью последовательности ЛЕКЦИЯ № 15. ЧИСЛОВЫЕ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ - student2.ru .

Теорема 15.1. Если последовательность сходится, то сходится ее любая подпоследовательность, причем к тому же самому пределу.

Доказательство. Из сходимости последовательности следует, что для любого ЛЕКЦИЯ № 15. ЧИСЛОВЫЕ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ - student2.ru существует ЛЕКЦИЯ № 15. ЧИСЛОВЫЕ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ - student2.ru такое, что для всех ЛЕКЦИЯ № 15. ЧИСЛОВЫЕ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ - student2.ru выполняется неравенство ЛЕКЦИЯ № 15. ЧИСЛОВЫЕ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ - student2.ru , но тогда для всех ЛЕКЦИЯ № 15. ЧИСЛОВЫЕ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ - student2.ru ЛЕКЦИЯ № 15. ЧИСЛОВЫЕ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ - student2.ru .

Конец доказательства.

Пример 15.1. Пусть дана последовательность

ЛЕКЦИЯ № 15. ЧИСЛОВЫЕ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ - student2.ru

Эта последовательность сходится

ЛЕКЦИЯ № 15. ЧИСЛОВЫЕ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ - student2.ru

Выделим из нее подпоследовательность

ЛЕКЦИЯ № 15. ЧИСЛОВЫЕ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ - student2.ru

Эта подпоследовательность, согласно теореме 15.1, должна сходится к нулю, что легко доказать непосредственно

ЛЕКЦИЯ № 15. ЧИСЛОВЫЕ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ - student2.ru .

Конец примера.

Лемма 15.1. (Принцип вложенных отрезков) Всякая бесконечная система вложенных отрезков содержит хотя бы одну общую точку.

Доказательство. Бесконечной системой вложенных отрезков называется система отрезков вида ЛЕКЦИЯ № 15. ЧИСЛОВЫЕ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ - student2.ru , где ЛЕКЦИЯ № 15. ЧИСЛОВЫЕ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ - student2.ru и ЛЕКЦИЯ № 15. ЧИСЛОВЫЕ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ - student2.ru монотонные последовательности, ограниченные сверху величиной ЛЕКЦИЯ № 15. ЧИСЛОВЫЕ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ - student2.ru , а снизу ‑ величиной ЛЕКЦИЯ № 15. ЧИСЛОВЫЕ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ - student2.ru . В силу этого существуют пределы:

ЛЕКЦИЯ № 15. ЧИСЛОВЫЕ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ - student2.ru ,

причем для любого n справедливы неравенства ЛЕКЦИЯ № 15. ЧИСЛОВЫЕ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ - student2.ru .

Выбрав a, мы найдем искомую точку.

Конец доказательства.

Лемма 15.2.(Сравнительный признак сходимости) Пусть даны три вещественные последовательности, n-е члены которых связаны неравенствами ЛЕКЦИЯ № 15. ЧИСЛОВЫЕ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ - student2.ru . Если сходятся последовательности ЛЕКЦИЯ № 15. ЧИСЛОВЫЕ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ - student2.ru и ЛЕКЦИЯ № 15. ЧИСЛОВЫЕ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ - student2.ru то сходится и последовательность ЛЕКЦИЯ № 15. ЧИСЛОВЫЕ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ - student2.ru , причем ЛЕКЦИЯ № 15. ЧИСЛОВЫЕ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ - student2.ru

Доказательство. Из условия леммы следует неравенство ЛЕКЦИЯ № 15. ЧИСЛОВЫЕ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ - student2.ru . Тогда, из определения предела последовательности, следует, что для любого ЛЕКЦИЯ № 15. ЧИСЛОВЫЕ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ - student2.ru существует число ЛЕКЦИЯ № 15. ЧИСЛОВЫЕ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ - student2.ru , такое, что для всех ЛЕКЦИЯ № 15. ЧИСЛОВЫЕ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ - student2.ru справедливы неравенства

ЛЕКЦИЯ № 15. ЧИСЛОВЫЕ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ - student2.ru

или

ЛЕКЦИЯ № 15. ЧИСЛОВЫЕ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ - student2.ru

Тогда выполняется неравенство

ЛЕКЦИЯ № 15. ЧИСЛОВЫЕ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ - student2.ru

Откуда

ЛЕКЦИЯ № 15. ЧИСЛОВЫЕ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ - student2.ru

или

ЛЕКЦИЯ № 15. ЧИСЛОВЫЕ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ - student2.ru

Конец доказательства.

Используем леммы 15.1 и 15.2 для доказательства теоремы 2.

Теорема 15.2. (Больцано ‑ Вейерштрасса) Всякая ограниченная последовательность содержит сходящуюся подпоследовательность.

Если последовательность ограничена, то все ее n-е члены удовлетворяют неравенству ЛЕКЦИЯ № 15. ЧИСЛОВЫЕ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ - student2.ru . Выберем любой член последовательности и разделим отрезок. Из двух полученных отрезков выберем тот, который содержит бесконечно много членов последовательности. Затем повторим процесс вновь и вновь, выбирая каждый раз перед делением отрезков произвольный член последовательности. В результате получим вложенную систему отрезков, длина которых стремится к нулю, и подпоследовательность, удовлетворяющую неравенствам

ЛЕКЦИЯ № 15. ЧИСЛОВЫЕ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ - student2.ru

где ЛЕКЦИЯ № 15. ЧИСЛОВЫЕ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ - student2.ru ‑ выделенная подпоследовательность.

Из доказательства леммы 15.1 следует существование пределов

ЛЕКЦИЯ № 15. ЧИСЛОВЫЕ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ - student2.ru .

Так как длина вложенных отрезков стремится к нулю

ЛЕКЦИЯ № 15. ЧИСЛОВЫЕ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ - student2.ru

то ЛЕКЦИЯ № 15. ЧИСЛОВЫЕ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ - student2.ru , а из леммы 15.2 следует, что сходится и подпоследовательность ЛЕКЦИЯ № 15. ЧИСЛОВЫЕ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ - student2.ru

Конец доказательства.

Определение 15.2. Числовая последовательность называется последовательностью Коши или фундаментальной, если для любого ЛЕКЦИЯ № 15. ЧИСЛОВЫЕ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ - student2.ru существует натуральное число ЛЕКЦИЯ № 15. ЧИСЛОВЫЕ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ - student2.ru такое, что для ЛЕКЦИЯ № 15. ЧИСЛОВЫЕ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ - student2.ru и любого натурального p справедливо неравенство ЛЕКЦИЯ № 15. ЧИСЛОВЫЕ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ - student2.ru для всех p=1,2,3,... .

Теорема 15.3. Сходящаяся последовательность фундаментальна.

Доказательство. Если ЛЕКЦИЯ № 15. ЧИСЛОВЫЕ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ - student2.ru , то для любого ЛЕКЦИЯ № 15. ЧИСЛОВЫЕ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ - student2.ru существует ЛЕКЦИЯ № 15. ЧИСЛОВЫЕ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ - student2.ru такое, что для всех ЛЕКЦИЯ № 15. ЧИСЛОВЫЕ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ - student2.ru справедливо неравенство

ЛЕКЦИЯ № 15. ЧИСЛОВЫЕ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ - student2.ru .

Следовательно, для любого натурального p

ЛЕКЦИЯ № 15. ЧИСЛОВЫЕ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ - student2.ru

откуда

ЛЕКЦИЯ № 15. ЧИСЛОВЫЕ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ - student2.ru

Конец доказательства.

Теорема 15.4. (Критерий Коши) Если последовательность фундаментальна, то она сходится.

Доказательство. Доказательство теоремы проводится в два этапа. На первом этапе доказывается ограниченность фундаментальной последовательности. На втором этапе с помощью теоремы Больцано-Вейерштрасса устанавливается наличие сходящейся подпоследовательности и доказательство на этой основе сходимости самой последовательности.

Наши рекомендации