Теорема Штольца

Матеріал з testwiki
Перейти до навігації Перейти до пошуку

У математиці, теорема Штольца—Цезаро це критерій для доведення збіжності послідовності. Теорема названа на честь математиків Отто Штольца і Шаблон:Нп, які вперше сформулювали її та довели.

Теорему Штольца-Цезаро можна розглядати, як узагальнення Шаблон:Нп, а також як правило Лопіталя для послідовностей.

Формулювання теореми для випадку Шаблон:Math

Нехай {an}n1 і {bn}n1 дві послідовності дійсних чисел. Вважаючи, що {bn}n1 строго монотонна і розбіжна послідовність (тобто строго зростаюча і прямує до +, або строго спадаюча і прямує до ) і існує наступна границя:

limnan+1anbn+1bn=l.

Тоді

limnanbn=l.

Формулювання теореми для випадку Шаблон:Math

Нехай {an}n1 і {bn}n1дві послідовності дійсних чисел, причому {an}0 та {bn}0 та {bn}n1 строго монотонна. Якщо

limnan+1anbn+1bn=l, 

то[1]

limnanbn=l. 

Доведення

Доведення теореми для випадку Шаблон:Math

Випадок 1: Нехай {bn} строго зростаюча і розбіжна до +, l<. За припущенням маємо, що для всіх ε2>0 існує ν>0 таке, що n>ν

|an+1anbn+1bnl|<ε2,

тобто

lε2<an+1anbn+1bn<l+ε2,n>ν.

Оскільки {bn} строго зростаюча, bn+1bn>0, то виконується нерівність

(lε2)(bn+1bn)<an+1an<(l+ε2)(bn+1bn),n>ν.

Далі зауважимо, що

an=[(anan1)++(aν+2aν+1)]+aν+1

таким чином, застосовуючи вищезазначену нерівність до кожного з доданків у квадратних дужках, отримуємо

(lε2)(bnbν+1)+aν+1=(lε2)[(bnbn1)++(bν+2bν+1)]+aν+1<anan<(l+ε2)[(bnbn1)++(bν+2bν+1)]+aν+1=(l+ε2)(bnbν+1)+aν+1.

Тепер, оскільки bn+ при n, то існує n0>0 таке, що bn0 для всіх n>n0, і можемо поділити обидві нерівності на bn для всіх n>max{ν,n0}

(lε2)+aν+1bν+1(lε2)bn<anbn<(l+ε2)+aν+1bν+1(l+ε2)bn.

Дві послідовності (які визначені лише для n>n0 оскільки має існувати Nn0 таке, що bN=0)

cn±:=aν+1bν+1(l±ε2)bn

нескінченно малі оскільки bn+ а чисельник — це стала. Отже, для всіх ε2 існує n±>n0>0, таке, що

|cn+|<ε2,n>n+,|cn|<ε2,n>n,

Таким чином,

lε<lε/2+cn<anbn<l+ε2+cn+<l+ε,n>max{ν,n±}=:N>0,

що завершує доведення. Випадок, коли послідовність {bn} строго спадна і розбіжна до , l< розглядається аналогічно.

Випадок 2: Нехай {bn} — строго зростаюча і розбіжна, l=+. Продовжуючи, як і раніше, для всіх 32M>0 для яких існує ν>0 таких, що n>ν

an+1anbn+1bn>32M.

Знову ж таки, застосовуючи вищезазначену нерівність до кожного з доданків всередині квадратних дужок, отримуємо

an>32M(bnbν+1)+aν+1,n>ν,

і

anbn>32M+aν+132Mbν+1bn,n>max{ν,n0}.

Послідовність {cn}n>n0 визначена як

cn:=aν+132Mbν+1bn

нескінченно мала, таким чином,

M/2>0n¯>n0>0 таке, щоM/2<cn<M/2,n>n¯.

Комбінуючи цю нерівність з попередньою, робимо висновок, що

anbn>32M+cn>M,n>max{ν,n¯}=:N.

Так само доводяться випадки, коли {bn} строго зростаюча або спадаюча і прямує до + або відповідно l=±.

Доведення теореми для випадку Шаблон:Math

Випадок 1: спочатку розглядаємо випадок коли l< і {bn} строго зростаюча. Цього разу, для кожного m>0, можемо записати

an=(anan1)++(am+ν+1am+ν)+am+ν,

і

(lε2)(bnbν+m)+aν+m=(lε2)[(bnbn1)++(bν+m+1bν+m)]+aν+m<anan<(l+ε2)[(bnbn1)++(bν+m+1bν+m)]+aν+m=(l+ε2)(bnbν+m)+aν+m.

Дві послідовності

cm±:=aν+mbν+m(l±ε/2)bn

є наскінченно малими за припущенням am,bm0, тому для всіх ε2>0 існують такі n±>0 що

|cm+|<ε2,m>n+,|cm|<ε2,m>n.

Отже, вибираючи m відповідним чином (тобто, переходячи до границі відносно m) отримуємо

lε<lε2+cm<anbn<l+ε2+cm+<l+ε,n>max{ν,n0},

що і завершує доведення.

Випадок 2: вважаємо, що l=+ і {bn} строго зростаюча. Для всіх 32M>0 існує таке ν>0 що для всіх n>ν

an+1anbn+1bn>32M.

Тоді для кожного m>0

anbn>32M+aν+m32Mbν+mbn,n>max{ν,n0}.

Послідовність

cm:=aν+m32Mbν+mbn

збігається до 0 (для фіксованого n), тому

M/2>0n¯>0 такий, що M/2<cm<M/2,m>n¯,

і, вибираючи зручне для нас m завершуємо доведення

anbn>32M+cm>M,n>max{ν,n0}.

Приклади та застосування

Ця теорема для випадку / має декілька наслідків, які корисно використовувати для обчислення границь.

Середнє арифметичне

Нехай {xn} — послідовність дійсних чисел, яка збігається до l. Розглянемо послідовності

an:=m=1nxm=x1++xn,bn:=n,

тоді {bn} строго зростає і прямує до +. Тепер обчислюємо

limnan+1anbn+1bn=limnxn+1=limnxn=l,

тоді

limnx1++xnn=limnxn.

Якщо для послідовністі

(xn)n1

дійсних чисел існує границя

limnxn

то

limnx1++xnn=limnxn.

Середнє геометричне

Нехай {xn} — послідовність додатних дійсних чисел, яка прямує до l і визначена як

an:=log(x1xn),bn:=n.

Знову обчислимо

limnan+1anbn+1bn=limnlog(x1xn+1x1xn)=limnlog(xn+1)=limnlog(xn)=log(l),

де використано неперервність логарифмічної функції. Таким чином,

limnlog(x1xn)n=limnlog((x1xn)1n)=log(l),

оскільки логарифм неперервний і ін'єктивний, то можна зробити висновок, що

limnx1xnn=limnxn.

Якщо задано послідовність

{xn}n1

(строго) додатних чисел і існує границя

limnxn,

тоді

limnx1xnn=limnxn.

Нехай задано послідовність {yn}n1 і потрібно обчислити

limnynn.

Поклавши y0=1 and xn=yn/yn1, отримаємо

limnx1xnn=limny1yny0y1yn1n=limnynn,

та застосувавши вищезазначену властивість, маємо

limnynn=limnxn=limnynyn1.

Ця форма, як правило, є найбільш корисною для обчислення границь:

Якщо дана послідовність

{yn}n1

(строго) додатних чисел і існує границя

limnyn+1yn

тоді

limnynn=limnyn+1yn.

Приклади

Приклад 1

limnnn=limnn+1n=1.

Приклад 2

limnn!nn=limn(n+1)!(nn)n!(n+1)n+1=limnnn(n+1)n=limn1(1+1n)n=1e.

Використали те, що e можна представити у вигляді границі послідовності.

Приклад 3

limnlog(n!)nlog(n)=limnlog((n+1)!)log(n!)(n+1)log(n+1)nlog(n)==limnlog(n+1)!n!log(n+1)n+1nn=limnlog(n+1)log((n+1)(1+1n)n)==limnlog(n+1)log((n+1)e)=limnlog(n+1)log(n+1)+1=1.

Використали те, що e можна представити у вигляді границі послідовності.

Приклад 4

Розглянемо послідовність

an=(1)nn!nn.

Перепишемо її у вигляді

an=bncn,bn:=(1)n,cn:=(n!nn)n,

послідовність (bn) обмежена (і знакопереміжна), у той час як

limn(n!nn)n=limn(1/e)n=0.

Це випливає з добре відомої границі, тому що 1e<1; тоді

limn(1)nn!nn=0.

Історія

Випадок був сформульований і доведений на сторінках 173—175 книжки Штольца 1885 року, а також на 54 сторінці статті Цезаро 1888 року.

Вона з'явилась як задача 70 в Pólya and Szegő (1925).

Загальна форма

Твердження

Загальне формулювання теореми Штольца—Цезаро наступне:[2] якщо {an}n1 і {bn}n1дві послідовності, причому {bn}n1 монотонна і необмежена, тоді

lim infnan+1anbn+1bnlim infnanbnlim supnanbnlim supnan+1anbn+1bn.

Доведення

Замість того щоб доводити попереднє твердження, доведемо трохи інше; спочатку введемо позначення: нехай {an}n1 будь-яка послідовність, тоді її часткова сума матиме вигляд An:=m1nam. Еквівалентним твердженням, яке доведемо, є:

Нехай

{an}n1,{bn}1

будь-які послідовності дійсних чисел такі, що

  • bn>0,n>0,
  • limnBn=+,

тоді

lim infnanbnlim infnAnBnlim supnAnBnlim supnanbn.

Доведення еквівалентного твердження

Спочатку відмітимо, що:

  • lim infnAnBnlim supnAnBn за означенням верхньої та нижньої границь;
  • lim infnanbnlim infnAnBn виконується тоді і тільки тоді, коли lim supnAnBnlim supnanbn because lim infnxn=lim supn(xn) тому що (xn)n1.

Тоді достатньо показати, що lim supnAnBnlim supnanbn. Якщо L:=lim supnanbn=+то можемо припустити L<+ (він може бути як скінченним, так і).За означенням lim sup,для всіх l>L існує таке натуральне число ν>0, що

anbn<l,n>ν.

Використаємо цю нерівність щоб записати

An=Aν+aν+1++an<Aν+l(BnBν),n>ν,

Так як bn>0, то також маємо Bn>0 і можемо поділити на Bn щоб отримати

AnBn<AνlBνBn+l,n>ν.

Так як Bn+ при n+, о послідовність

AνlBνBn0 при n+ ( ν фіксоване),

і отримаємо

lim supnAnBnl,l>L,

За означенням точної верхньої границі, це означає, що

lim supnAnBnL=lim supnanbn,

що й треба було довести.

Доведення початкового твердження

Тепер візьмемо такі {an},{bn} як у загальному формулюванні теореми Штольца-Цезаро і визначимо

α1=a1,αk=akak1,k>1β1=b1,βk=bkbk1k>1.

Так як (bn) строго монотонна (можна припустити, що вона строго зростаюча), βn>0для всіх n, оскільки bn+ тоBn=b1+(b2b1)++(bnbn1)=bn+.Таким чином, можемо застосувати щойно доведену теорему для {αn},{βn} (і для їх часткових сум {An},{Bn})

lim supnanbn=lim supnAnBnlim supnαnβn=lim supnanan1bnbn1,

отримали те, що і треба було довести.

Див. також

Література

Зовнішні лінки

Примітки