Теорема Штольца
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 і дві послідовності дійсних чисел. Вважаючи, що строго монотонна і розбіжна послідовність (тобто строго зростаюча і прямує до , або строго спадаюча і прямує до ) і існує наступна границя:
Тоді
Формулювання теореми для випадку Шаблон:Math
Нехай і дві послідовності дійсних чисел, причому та та строго монотонна. Якщо
то[1]
Доведення
Доведення теореми для випадку Шаблон:Math
Випадок 1: Нехай строго зростаюча і розбіжна до , . За припущенням маємо, що для всіх існує таке, що
тобто
Оскільки строго зростаюча, , то виконується нерівність
- .
Далі зауважимо, що
таким чином, застосовуючи вищезазначену нерівність до кожного з доданків у квадратних дужках, отримуємо
Тепер, оскільки при , то існує таке, що для всіх , і можемо поділити обидві нерівності на для всіх
Дві послідовності (які визначені лише для оскільки має існувати таке, що )
нескінченно малі оскільки а чисельник — це стала. Отже, для всіх існує , таке, що
Таким чином,
що завершує доведення. Випадок, коли послідовність строго спадна і розбіжна до , розглядається аналогічно.
Випадок 2: Нехай — строго зростаюча і розбіжна, . Продовжуючи, як і раніше, для всіх для яких існує таких, що
Знову ж таки, застосовуючи вищезазначену нерівність до кожного з доданків всередині квадратних дужок, отримуємо
і
Послідовність визначена як
нескінченно мала, таким чином,
Комбінуючи цю нерівність з попередньою, робимо висновок, що
Так само доводяться випадки, коли строго зростаюча або спадаюча і прямує до або відповідно .
Доведення теореми для випадку Шаблон:Math
Випадок 1: спочатку розглядаємо випадок коли і строго зростаюча. Цього разу, для кожного , можемо записати
і
Дві послідовності
є наскінченно малими за припущенням , тому для всіх існують такі що
Отже, вибираючи відповідним чином (тобто, переходячи до границі відносно ) отримуємо
що і завершує доведення.
Випадок 2: вважаємо, що і строго зростаюча. Для всіх існує таке що для всіх
Тоді для кожного
Послідовність
збігається до (для фіксованого ), тому
і, вибираючи зручне для нас завершуємо доведення
Приклади та застосування
Ця теорема для випадку має декілька наслідків, які корисно використовувати для обчислення границь.
Середнє арифметичне
Нехай — послідовність дійсних чисел, яка збігається до . Розглянемо послідовності
- ,
тоді строго зростає і прямує до . Тепер обчислюємо
- ,
тоді
Якщо для послідовністі
дійсних чисел існує границя
то
Середнє геометричне
Нехай — послідовність додатних дійсних чисел, яка прямує до і визначена як
Знову обчислимо
де використано неперервність логарифмічної функції. Таким чином,
оскільки логарифм неперервний і ін'єктивний, то можна зробити висновок, що
- .
Якщо задано послідовність
(строго) додатних чисел і існує границя
- ,
тоді
Нехай задано послідовність і потрібно обчислити
Поклавши and отримаємо
та застосувавши вищезазначену властивість, маємо
Ця форма, як правило, є найбільш корисною для обчислення границь:
Якщо дана послідовність
(строго) додатних чисел і існує границя
тоді
Приклади
Приклад 1
Приклад 2
Використали те, що можна представити у вигляді границі послідовності.
Приклад 3
Використали те, що можна представити у вигляді границі послідовності.
Приклад 4
Розглянемо послідовність
- .
Перепишемо її у вигляді
послідовність обмежена (і знакопереміжна), у той час як
Це випливає з добре відомої границі, тому що ; тоді
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 і дві послідовності, причому монотонна і необмежена, тоді
Доведення
Замість того щоб доводити попереднє твердження, доведемо трохи інше; спочатку введемо позначення: нехай будь-яка послідовність, тоді її часткова сума матиме вигляд . Еквівалентним твердженням, яке доведемо, є:
Нехай
будь-які послідовності дійсних чисел такі, що
- ,
- ,
тоді
Доведення еквівалентного твердження
Спочатку відмітимо, що:
- за означенням верхньої та нижньої границь;
- виконується тоді і тільки тоді, коли because тому що .
Тоді достатньо показати, що . Якщо то можемо припустити (він може бути як скінченним, так і).За означенням ,для всіх існує таке натуральне число що
Використаємо цю нерівність щоб записати
Так як , то також маємо і можемо поділити на щоб отримати
Так як при , о послідовність
і отримаємо
За означенням точної верхньої границі, це означає, що
що й треба було довести.
Доведення початкового твердження
Тепер візьмемо такі як у загальному формулюванні теореми Штольца-Цезаро і визначимо
Так як строго монотонна (можна припустити, що вона строго зростаюча), для всіх оскільки тоТаким чином, можемо застосувати щойно доведену теорему для (і для їх часткових сум )
отримали те, що і треба було довести.
Див. також
Література
- Шаблон:Фіхтенгольц.укр
- Шаблон:Citation.
- Шаблон:Citation.
- Шаблон:Citation.
- Шаблон:Citation.
- A. D. R. Choudary, Constantin Niculescu: Real Analysis on Intervals. Springer, 2014, Шаблон:Isbn, pp. 59-62 Шаблон:Webarchive
- J. Marshall Ash, Allan Berele, Stefan Catoiu: Plausible and Genuine Extensions of L’Hospital's Rule. Mathematics Magazine, Vol. 85, No. 1 (February 2012), pp. 52–60 (JSTOR Шаблон:Webarchive)