LGÖ Ks VMa 11 Schuljahr 2015/2016 Zusammenfassung: Folgen und Konvergenz Inhaltsverzeichnis Definitionen und Beispiele für Folgen ............................................................................................... Beschränkte Folgen............................................................................................................................. Konvergenz von Folgen ..................................................................................................................... Grenzwertsätze für Folgen ................................................................................................................. Für Experten ....................................................................................................................................... Definitionen und Beispiele für Folgen Definition: Eine Folge ist eine Funktion mit der Definitionsmenge . Bemerkung: Wenn es wesentlich ist, ob die Null zur Definitionsmenge gehört oder nicht, schreibt man n 0 oder n 1 dazu. Beispiel: Die Folge an : an n 2 n 1 der Quadratzahlen hat die Folgenglieder a1 12 1 , a2 22 4 , a3 33 9 , … Jede Folge besitzt (jedenfalls im Prinzip) eine explizite Darstellung, d. h. Angabe von an Term in n , und eine rekursive Darstellung, d. h. Angabe des Anfangswerts a0 (bzw. a1 ) und der Rekursionsgleichung an 1 Term in an oder an Term in an 1 . Die einfachsten Folgen sind konstante Folgen, zum Beispiel die Folge an mit an 5 für alle n. Definition: Eine Folge heißt arithmetisch, wenn die Differenz aufeinander folgender Folgenglieder konstant ist. Beispiel: Die arithmetische Folge 1, 3, 5, … hat für n 0 die explizite Darstellung an 2n 1 ; rekursive Darstellung a0 1 und an 1 an 2 (oder an an 1 2 ). Definition: Eine Folge, deren Folgenglieder alle von 0 verschieden sind, heißt geometrisch, wenn der Quotient aufeinander folgender Folgenglieder konstant ist. Beispiel: Die geometrische Folge 3, 6, 12, … hat für n 0 die explizite Darstellung an 3 2n ; rekursive Darstellung a0 3 und an 1 an 2 (oder an an 1 2 ). Definition: Eine Folge heißt alternierend, wenn das Vorzeichen der Folgenglieder abwechselnd positiv und negativ ist. Beispiel: an : an 1 zus_folgenundkonvergenz n 1/8 1 2 2 5 7 LGÖ Ks VMa 11 Schuljahr 2015/2016 Beschränkte Folgen Definition: Eine reelle Zahl S (bzw. s) heißt eine obere Schranke (bzw. untere Schranke) einer Folge an , wenn für alle Folgenglieder an gilt: an S (bzw. an s ). Eine Folge heißt nach oben beschränkt (bzw. nach unten beschränkt), wenn sie eine obere Schranke (bzw. untere Schranke) hat. Eine Folge heißt beschränkt, wenn sie nach oben und nach unten beschränkt ist. Bemerkung: Wenn eine Folge eine obere Schranke S hat, dann ist auch jede reelle Zahl S mit S S eine obere Schranke der Folge. Eine nach oben beschränke Folge hat also unendlich viele obere Schranken, aber genau eine kleinste obere Schranke. Entsprechend hat eine nach unten beschränkte Folge unendlich viele untere Schranken, aber genau eine größte untere Schranke. Beispiele: n a) Die Folge an : an 1 n ist weder nach oben noch nach unten beschränkt. 1 n 1 ist beschränkt. Die kleinste obere Schranke ist 1, und die n größte untere Schranke ist 0. Bemerkung: Die größte untere Schranke 0 wird nicht angenommen, d. h. es gibt kein Folgenglied an mit an 0 . b) Die Folge an : an Konvergenz von Folgen Merke: Der Abstand zweier reeller Zahlen a und b auf der Zahlengeraden ist a b . Definition: Gegeben ist eine Folge an und eine reelle Zahl g. Die Folge an konvergiert gegen g (oder: Die Folge an hat den Grenzwert g), wenn es zu jeder reellen Zahl 0 eine natürliche Zahl n0 gibt mit der Eigenschaft an g für alle n n0 . Schreibweise: lim an g oder an g für n . n Bemerkungen: 1. Eine Folge an konvergiert genau dann gegen eine Zahl g, wenn es zu jedem vorgegebenen (noch so kleinen) „Höchstabstand“ einen Folgenindex n0 gibt, ab dem alle Folgenglieder um weniger als von g entfernt sind. 2. Die Definition sagt nichts darüber, wie man den Grenzwert einer Folge bestimmt. Beispiel: Folgen, die gegen 3 konvergieren, sind zum Beispiel die Folgen an mit 1 an 3 oder an 3 n 1 1 oder an 3 oder an 3 n n n oder … Standardaufgabe: Zeige mithilfe der Definition, dass eine Folge an gegen eine Zahl g konvergiert. zus_folgenundkonvergenz 2/8 LGÖ Ks VMa 11 Schuljahr 2015/2016 Lösung: Setze in die Ungleichung an g den Term von an und die Zahl g ein und löse die Ungleichung nach n auf: 1. Vereinfache den Term an g im Betrag so weit wie möglich. 2. Schreibe an g ohne Betrag. 3. Bringe die Ungleichung in die Form n Term in . Wähle als n0 die kleinste natürliche Zahl mit n0 Term in . Bemerkung: Bei der Lösung muss eine Ungleichung äquivalent umgeformt werden. Wendet man eine Funktion auf beide Seiten der Ungleichung an, dann ist das genau dann eine Äquivalenzumformung, wenn die Funktion streng monoton wachsend ist. Beispiel: Die Funktion f: f x x 2 ist für x 0 streng monoton wachsend. Sind also beide Seiten einer Ungleichung positiv, dann ist das Quadrieren beider Seiten der Ungleichung eine Äquivalenzumformung. Definition: Eine Folge, die gegen 0 konvergiert, heißt eine Nullfolge. Standardbeispiele für Nullfolgen (Beweis siehe Aufschrieb): 1 1. Die Folge an : an ( 0 ) ist eine Nullfolge. n 2. Die Folge an : an q n q 1 ist eine Nullfolge. Feststellung: Ist an eine Nullfolge und bn eine Folge mit bn an für alle n, dann ist auch bn eine Nullfolge. Beweis: Sei 0 . Da an eine Nullfolge ist, gibt es eine natürliche Zahl n0 , so dass an 0 für alle n n0 . Also gilt für alle n n0 : bn 0 bn an an 0 . Also ist auch bn eine Nullfolge. q.e.d. Anwendungsbeispiel: Zeige, dass die Folge an : an Lösung: an 1 eine Nullfolge ist. n 1 1 1 1 1 für alle n, und die Folge bn : bn ist eine Nullfolge. n 1 n 1 n n Definition: Hat eine Folge einen Grenzwert, dann heißt die Folge konvergent; andernfalls heißt sie divergent. Feststellung: Die in der Definition von „Konvergenz“ auftretende Ungleichung an g ist äquivalent zu zus_folgenundkonvergenz g an g . 3/8 LGÖ Ks VMa 11 Schuljahr 2015/2016 Anschaulich bedeutet das: Der Abstand eines Folgenglieds an zu g ist genau dann kleiner als , wenn an zwischen g und g liegt. Diese offensichtlich richtige Aussage kann auch formal bewiesen werden, siehe „Für Experten“. Feststellung: Eine konvergente alternierende Folge ist eine Nullfolge. Beweis: Nimm an, eine alternierende Folge an hat einen Grenzwert g 0 . Fall g 0 : Wähle g . Dann gibt es eine natürliche Zahl n0 , so dass an g für alle n n0 . Also gilt für alle n n0 : g an g , also insbesondere an g g g 0 . Das ist ein Widerspruch dazu, dass jedes zweite Folgenglied an negativ ist. Den Fall g 0 beweist man analog mit g . q.e.d. Anwendungsbeispiel: Zeige, dass die Folge an : an 1 divergent ist. n Lösung: Die Folge an ist alternierend und wegen an 1 für alle n keine Nullfolge. Also ist die Folge divergent. Definition: Das Maximum (bzw. Minimum) einer endlichen Menge x1 , x2 , , xn reeller Zahlen ist die größte (bzw. kleinste) Zahl der Menge. Schreibweise: max x1 , x2 , , xn (bzw. min x1 , x2 , , xn ) Feststellung: Eine Folge hat höchstens einen Grenzwert. Beweis: Nimm an, eine Folge an hat zwei verschiedene Grenzwerte g1 und g 2 . 1 g1 g 2 . 2 Dann gibt es eine natürliche Zahl n1 , so dass an g1 für alle n n1 , und es gibt eine natürliche Wähle Zahl n2 , so dass an g 2 für alle n n2 . Sei n0 : max n1 , n2 . Dann gilt für alle n n0 sowohl an g1 als auch an g 2 , also -Ungl. g1 g 2 g1 an an g 2 g1 an an g 2 g1 an an g 2 an g1 an g 2 1 g1 g 2 g1 g 2 2 Also gilt g1 g 2 g1 g 2 . Widerspruch! 2 2 zus_folgenundkonvergenz q.e.d. 4/8 LGÖ Ks VMa 11 Schuljahr 2015/2016 Satz: Eine konvergente Folge ist beschränkt. Beweis: Sei an eine Folge mit dem Grenzwert g. Wähle 1 . Dann gibt es eine natürliche Zahl n0 , so dass für alle n n0 gilt: an g an g 1 g 1 an g 1 Also ist S max a1 , a2 , , an0 1 , g 1 eine obere Schranke und s min a1 , a2 , , an0 1 , g 1 eine untere Schranke von an . q.e.d. Definition: Eine Folge an heißt eine Cauchy-Folge, wenn gilt: Für jede reelle Zahl 0 gibt es eine natürliche Zahl n0 mit der Eigenschaft am an für alle m, n n0 . Satz: Jede konvergente Folge ist eine Cauchy-Folge. Beweis: Sei an eine Folge mit dem Grenzwert g. Sei 0 . Dann ist auch 2 0. Also gibt es eine natürliche Zahl n0 , so dass an g Also gilt für alle m, n n0 : am an am g g an am g g an 2 2 2 für alle n n0 . -Ungl. am g g an am g an g q.e.d. Für Experten: Da vollständig ist, gilt auch die Umkehrung des Satzes, d. h. es gilt: Jede Cauchy-Folge ist konvergent. Standardaufgabe: Zeige, dass eine Folge nicht konvergent ist. Lösung: Zeige, dass die Folge unbeschränkt ist oder dass die Folge keine Cauchy-Folge ist. Grenzwertsätze für Folgen Satz (Summe konvergenter Folgen): Konvergieren die Folgen an und bn , dann konvergiert auch die Summenfolge an bn , und es gilt lim an bn lim an lim bn . n zus_folgenundkonvergenz n 5/8 n LGÖ Ks VMa 11 Schuljahr 2015/2016 Beweis: Sei a : lim an und b : lim bn . Sei 0 . Dann ist auch n 2 n 0. Also gibt es eine natürliche Zahl n1 , so dass an a Zahl n2 , so dass bn b Sei n0 : max n1 , n2 . 2 2 für alle n n1 , und es gibt eine natürliche für alle n n2 . Dann gilt für alle n n0 sowohl an a 2 als auch bn b 2 , also an bn a b an bn a b an a bn b an a bn b 2 -Ungl. an a bn b 2 q.e.d. Satz (Differenz, Produkt und Quotient konvergenter Folgen; ohne Beweis): Konvergieren die Folgen an und bn , dann konvergieren auch die Differenzenfolge an bn und die Produktfolge an bn , und es gilt lim an bn lim an lim bn und lim an bn lim an lim bn . n n n n n a Ist außerdem lim bn 0 , dann konvergiert auch die Quotientenfolge n n bn a lim an lim n n . n b bn n lim n n , und es gilt Standardaufgabe: Bestimme den Grenzwert eines Bruchterms mithilfe der Grenzwertsätze. Lösung: Klammere im Zähler und im Nenner jeweils den am schnellsten wachsenden Term aus und kürze. Zur Ersparnis von Schreibarbeit bei der Lösung dieser Standardaufgabe dient die Feststellung (Beweis siehe Aufschrieb): Sind c0 , c1 , , ck reelle Zahlen und sind 1 , 2 , , k positive reelle Zahlen, dann gilt c c c lim c0 11 22 kk c0 . n n n n 2 Beispiel: lim 1 3 1 n n Standardaufgabe: Berechne den Grenzwert der Differenz zweier Wurzelterme. zus_folgenundkonvergenz 6/8 LGÖ Ks VMa 11 Schuljahr 2015/2016 Lösung: Erweitere mit der Summe der Wurzelterme und verwende die dritte binomische Formel. Zur Ersparnis von Schreibarbeit bei der Lösung dieser Standardaufgabe dienen die folgenden beiden Feststellungen: Feststellung (Wurzel einer konvergenten Folge; ohne Beweis): Konvergiert die Folge an und gilt an 0 für alle n, dann konvergiert auch die Folge lim n Beispiel: lim 1 n an , und es gilt an lim an . n 2 2 lim 1 3 1 1 3 n n n Feststellung: Ist a eine reelle Zahl und bn eine Folge, die gegen strebt, dann gilt a 0. n b n lim Für eine Definition von „strebt gegen “ und einen Beweis der Feststellung siehe „Für Experten“. Beispiel: lim n 1 2n 3 0 Da eine konvergente alternierende Folge eine Nullfolge ist, gibt es für das Grenzverhalten einer alternierenden Folge zwei Möglichkeiten: Entweder ist die Folge eine Nullfolge, oder sie ist divergent. Daraus und aus der Tatsache, dass eine Folge genau dann eine Nullfolge ist, wenn die Folge der Beträge eine Nullfolge ist, ergibt sich die Lösung der Standardaufgabe: Untersuche eine alternierende Folge auf Konvergenz. Lösung: Untersuche die Folge der Beträge. Ist die Folge der Beträge eine Nullfolge, dann ist auch die eigentliche Folge eine Nullfolge. Andernfalls, wenn also die Folge der Beträge divergent ist oder gegen eine von 0 verschiedene Zahl konvergiert, ist die eigentliche Folge divergent. Für Experten Beweis der Feststellung: Sind a und g reelle Zahlen und ist eine positive reelle Zahl, dann ist a g äquivalent zu g a g . Beweis: Zeige zuerst: Aus a g folgt g a g . Fall a g 0 : Dann ist a g a g . Also gilt ag a g Wegen a g 0 ist a g . Daraus und aus 0 folgt a g . Also gilt g a g . zus_folgenundkonvergenz 7/8 LGÖ Ks VMa 11 Schuljahr 2015/2016 Fall a g 0 : Dann ist a g a g g a . Also gilt g a a g | 1 a g Wegen a g 0 ist a g . Daraus und aus 0 folgt a g . Also gilt g a g . Zeige nun: Aus g a g folgt a g . Aus a g folgt a g . Außerdem gilt a g a g | 1 g a Aus a g und g a folgt a g . q.e.d. Definition: Eine Folge an strebt gegen , wenn es zu jeder reellen Zahl C eine natürliche Zahl n0 gibt mit der Eigenschaft: an C für alle n n0 . Eine Folge strebt also genau dann gegen , wenn es zu jeder vorgegebenen (noch so großen) Zahl C einen Folgenindex n0 gibt, ab dem alle Folgenglieder größer als C sind. Beweis der Feststellung: Ist a eine reelle Zahl und bn eine Folge, die gegen strebt, dann gilt lim n a 0. bn Beweis: Im Fall a 0 ist nichts zu zeigen. Sei nun a 0 . Sei 0 vorgegeben. a Wähle C : . Dann gibt es eine natürliche Zahl n0 mit bn C für alle n n0 . Also gilt für alle n n0 : bn C 0 und a a a a a a 0 . a bn bn bn bn C a Also gilt lim 0 . n b n zus_folgenundkonvergenz q.e.d. 8/8