Beispiel A1. Untersuchen Sie die Folge x1 = 1, xn+1 = √ 2 + xn auf Konvergenz und berechnen Sie gegebenenfalls den Grenzwert. Lösung: Zunächst muss man sich überlegen, dass der Ausdruck unter der Wurzel nichtnegativ ist und die Rekursion daher wohldefiniert ist. Dazu zeigt man die stärkere Aussage xn > 0 für alle n ∈ N, denn daraus folgt dann klarerweise auch 2 + xn > 0 für alle n ∈ N. Um dies einzusehen verwendet man zum Beispiel vollständige Induktion. Induktionsanfang: Ist n = 1, so gilt x1 = 1 > 0, was offenbar stimmt. Induktionsschritt: Angenommen es gilt xn > 0, für ein n ∈ N, dann ist zu zeigen, dass auch xn+1 > 0 gilt. Wegen xn > 0 ist auch √ 2 + xn > 0 und man kann daher die Wurzel ziehen und man erhält xn+1 = 2 + xn > 0. Weiters ist die Folge nach oben beschränkt durch 2, also xn ≤ 2 für alle n ∈ N. Wieder mit vollständiger Induktion ergibt sich: Induktionsanfang: Ist n = 1, so gilt x1 = 1 ≤ 2, eine wahre Aussage. Induktionsschritt: Angenommen xn ≤ 2 für ein n ∈ N, dann ist zu zeigen, dass auch xn+1 ≤ 2 gilt. Aus der Induktionsvoraussetzung erhält man unmittelbar √ xn ≤ 2 ⇒ 2 + xn ≤ 4 ⇒ xn+1 = 2 + xn ≤ 2. Somit ist die Folge nach oben beschränkt durch 2. Jetzt zeigt man, dass die Folge monoton wachsend ist, d.h. xn ≤ xn+1 für √ alle n ∈ N. Induktionsanfang: Ist n = 1, so gilt x1 = 1 ≤ 3 = x2 , was offenbar stimmt. Induktionsschritt: Angenommen es gilt xn ≤ xn+1 für ein n ∈ N, dann ist zu zeigen, dass auch xn+1 ≤ xn+2 gilt. Aus der Induktionsvoraussetzung folgt unmittelbar p √ xn ≤ xn+1 ⇒ 2 + xn ≤ 2 + xn+1 ⇒ 2 + xn ≤ 2 + xn+1 ⇒ xn+1 ≤ xn+2 . Daher ist die Folge (xn )n∈N eine monoton wachsende und nach oben beschränkte Folge und somit nach Satz 3.4.2 konvergent. Es gibt also ein s ∈ R, sodass limn→∞ xn = s. Nach Satz 3.2.9 (iv) konvergiert daher auch jede Teilfolge von (xn )n∈N gegen s, somit gilt auch limn→∞ xn+1 = s. Aus der rekursiven Definition der Folge (xn )n∈N ergibt sich somit die Gleichung q √ √ s = lim xn+1 = lim 2 + xn = 2 + lim xn = 2 + s. n→∞ n→∞ n→∞ √ Daher muss der Grenzwert der Gleichung s = 2 + s genügen. Da x1 = 1 und die Folge monoton wachsend ist muss der Grenzwert ebenfalls positiv sein. Man erhält weiter √ s = 2 + s ⇔ s2 = 2 + s ⇔ s2 − s − 2 = 0 ⇔ (s − 2)(s + 1) = 0. Da s positiv ist, folgt somit s = 2. Insgesamt erhält man daher lim xn = 2. n→∞ 1 q Beispiel A2. Sei M die Menge aller reellwertigen beschränkten Folgen. Zeigen Sie, dass durch ¡ ¢ d0 (xn )n∈N , (yn )n∈N := sup{|xn − yn | : n ∈ N} eine Metrik auf M definiert wird. Für welche q ∈ R wird durch ¡ ¢ dq (xn )n∈N , (yn )n∈N := sup{q n |xn − yn | : n ∈ N} eine Metrik auf M definiert? Lösung: Ein metrischer Raum ist ein Paar (X, d), wobei X eine Menge und d eine wohldefinierte Abbildung von X × X nach R ist, die folgende drei Bedingungen erfüllt: (M1) Für alle x, y ∈ X ist d(x, y) ≥ 0. Es gilt d(x, y) = 0 genau dann, wenn x = y. (M2) Für alle x, y ∈ X gilt d(x, y) = d(y, x). (M3) Sind x, y, z ∈ X, so gilt: d(x, z) ≤ d(x, y) + d(y, z) . Die Funktion d0 ist für jedes Paar von Folgen ((xn )n∈N , (yn )n∈N ) ∈ M × M wohldefiniert, da die Folgen (xn )n∈N und (yn )n∈N beschränkt sind, also |xn | ≤ C1 und |yn | ≤ C2 für alle n ∈ N und gewisse, von den Folgen (xn )n∈N und (yn )n∈N aber nicht von n abhängige Konstante C1 , C2 ≥ 0, und damit |xn − yn | ≤ |xn | + |yn | ≤ C1 + C2 . Also ist die nichtleere Teilenge {|xn − yn | : n ∈ N} von R nach oben beschränkt. Da R ein vollständiger Körper ist, existiert somit sup{|xn − yn | : n ∈ N}. (M1): Nun sind alle Elemente von {|xn − yn | : n ∈ N} reelle Zahlen ≥ 0. Jede obere Schranke davon muss daher auch ≥ 0 sein. Also gilt immer ¡ ¢ d0 (xn )n∈N , (yn )n∈N ≥ 0. Im Fall (xn )n∈N = (yn )n∈N stimmen alle Folgenglieder überein, dh. xn = yn für alle n ∈ N. Es folgt |xn −yn | = 0 für alle {|xn −yn | : n ∈ N} ¡ n ∈ N. Also enthält ¢ d ) , ) nur das Element 0. Ihr Supremum (x (x ist daher 0. 0 n n∈N n n∈N ¡ ¢ Umgekehrt folgt aus d0 (xn )n∈N , (yn )n∈N = 0, dass 0 obere Schranke von {|xn − yn | : n ∈ N} ist und daher |xn − yn | ≤ 0 für alle n ∈ N. Da immer |xn − yn | ≥ 0, folgt |xn − yn | = 0 bzw. xn = yn für alle n ∈ N. Also gilt (xn )n∈N = (yn )n∈N . (M2): Wegen |a| = | − a| für alle a ∈ R folgt |xn − yn | = |yn − xn | für alle n ∈ N. Also 2 stimmen die Mengen {|xn − yn | : n ¡∈ N} und {|yn − ¢xn | : n ∈ N} überein und haben somit dasselbe Supremum d0 (xn )n∈N , (yn )n∈N . (M3): Seien (xn )n∈N , (yn )n∈N , (zn )n∈N ∈ M. Für jedes feste j ∈ N gilt wegen der für |.| gültigen Dreiecksungleichung |xj −yj | = |(xj −zj )+(zj −yj )| ≤ |xj −zj |+|zj −yj |. Nun ist für jedes feste j ∈ N auch ¡ ¢ ¡ ¢ |xj − zj | + |zj − yj | ≤ d0 (xn )n∈N , (zn )n∈N + d0 (zn )n∈N , (yn )n∈N , die rechts ja die Suprema und daher obere Schranken der Mengen {|xn − zn | : n ∈ N} bzw. {|zn − yn | : n ∈ N} stehen. Es folgt ¡ ¢ ¡ ¢ |xj − yj | ≤ d0 (xn )n∈N , (zn )n∈N + d0 (zn )n∈N , (yn )n∈N , womit die rechte Seite eine obere Schranke der Menge {|xn − yn | : n ∈ N} ist. Da das Supremum die kleinste obere Schranke ist, folgt ¡ ¢ ¡ ¢ ¡ ¢ d0 (xn )n∈N , (yn )n∈N ≤ d0 (xn )n∈N , (zn )n∈N + d0 (zn )n∈N , (yn )n∈N . ¡ ¢ Sei nun q ∈ R. Im Fall |q| > 1 ist dq (xn )n∈N , (yn )n∈N := sup{q n |xn − yn | : n ∈ N} nicht für alle Paar ((xn )n∈N , (yn )n∈N ) ∈ M × M wohldefiniert. Man betrachte etwa die Konstante Nullfolge (xn )n∈N = (0)n∈N und die konstante Einsfolge (yn )n∈N = (1)n∈N . In diesem Fall ist {q n |xn − yn | : n ∈ N} = {q n : n ∈ N}. Betrachtet man gerade n = 2k, so sind die Zahlen q 2k = (q 2 )k in dieser Menge. Also ist diese Menge nicht nach oben beschränkt, und es existiert kein Supremum. Im Fall |q| ≤ 1 ist die Menge {q n |xn − yn | : n ∈ N} aber immer nach oben beschränkt, da Für C1 , C2 ≥ 0, sodass |xn | ≤ C1 und |yn | ≤ C2 für alle n ∈ N, q n |xn − yn | ≤ |q|n (|xn | + |yn |) ≤ |xn | + |yn | ≤ C1 + C2 , n ∈ N, womit sie ein Supremum in R hat und dq wohldefiniert ist. Im Fall q ∈ [−1, 0] betrachte man wieder ein spezielles Paar aus M×M, nämlich (xn )n∈N = (0)n∈N und (yn )n∈N so, dass y1 = 1 und yn = 0 für n ≥ 2. Dann gilt q 1 |x1 − y1 | = q ≤ 0 und q n |xn − yn | = 0 für n ≥ 2. Somit hat die Menge {q n |xn − yn | : n ∈ N} = {0, q} ¡ ¢ das Supremum 0. Dafür, dass (M 1) erfüllt ist, müsste dq (xn )n∈N , (yn )n∈N > 0. Also ist in diesem Fall dq auch keine Metrik. Es bleibt der Fall q ∈ (0, 1]. Man zeigt analog wie oben, dass dann dq eine Metrik ist: 3 (M1): Alle Elemente von {q n |xn − yn | : n ∈ N} sind reelle Zahlen ≥ 0. Jede obere Schranke davon muss daher auch ≥ 0 sein. Also gilt immer ¡ ¢ dq (xn )n∈N , (yn )n∈N ≥ 0. Im Fall (xn )n∈N = (yn )n∈N stimmen alle Folgenglieder überein, dh. xn = yn für alle n ∈ N. Es folgt q n |xn − yn | = 0 für alle n ∈¡ N. Also enthält¢ {q n |xn − yn | : n ∈ N} nur das Element 0. Ihr Supremum dq (xn )n∈N , (xn )n∈N ist daher 0. ¡ ¢ Umgekehrt folgt aus dq (xn )n∈N , (yn )n∈N = 0, dass 0 obere Schranke von {q n |xn − yn | : n ∈ N} ist und daher q n |xn − yn | ≤ 0 für alle n ∈ N. Da immer q n |xn − yn | ≥ 0, folgt q n |xn − yn | = 0 bzw. xn = yn für alle n ∈ N. Also gilt (xn )n∈N = (yn )n∈N . (M2): Wegen |a| = | − a| für alle a ∈ R folgt q n |xn − yn | = q n |yn − xn | für alle n ∈ N. n Also stimmen die Mengen {q n |xn − yn | : n ∈ N} ¡ und {q |yn − x¢n | : n ∈ N} überein und haben somit dasselbe Supremum dq (xn )n∈N , (yn )n∈N . (M3): Seien (xn )n∈N , (yn )n∈N , (zn )n∈N ∈ M. Für jedes feste j ∈ N gilt wegen der für |.| gültigen Dreiecksungleichung q j |xj − yj | = q j |(xj − zj ) + (zj − yj )| ≤ q j |xj − zj | + q j |zj − yj |. Nun ist für jedes feste j ∈ N auch ¡ ¢ ¡ ¢ q j |xj − zj | + q j |zj − yj | ≤ dq (xn )n∈N , (zn )n∈N + dq (zn )n∈N , (yn )n∈N , die rechts ja die Suprema und daher obere Schranken der Mengen {q n |xn − zn | : n ∈ N} bzw. {q n |zn − yn | : n ∈ N} stehen. Es folgt ¡ ¢ ¡ ¢ q j |xj − yj | ≤ dq (xn )n∈N , (zn )n∈N + dq (zn )n∈N , (yn )n∈N , womit die rechte Seite eine obere Schranke der Menge {q n |xn − yn | : n ∈ N} ist. Da das Supremum die kleinste obere Schranke ist, folgt ¡ ¢ ¡ ¢ ¡ ¢ dq (xn )n∈N , (yn )n∈N ≤ dq (xn )n∈N , (zn )n∈N + dq (zn )n∈N , (yn )n∈N . q 4 Beispiel B1. Untersuchen Sie die Folge x1 = 1, xn+1 = √ 2xn + 3 auf Konvergenz und berechnen Sie gegebenenfalls den Grenzwert. Lösung: Zunächst muss man sich überlegen, dass der Ausdruck unter der Wurzel nichtnegativ ist und die Rekursion daher wohldefiniert ist. Dazu zeigt man die stärkere Aussage xn > 0 für alle n ∈ N, denn daraus folgt dann klarerweise auch 2xn + 3 > 0 für alle n ∈ N. Um dies einzusehen verwendet man zum Beispiel vollständige Induktion. Induktionsanfang: Ist n = 1, so gilt x1 = 1 > 0, was offenbar stimmt. Induktionsschritt: Angenommen es gilt xn > 0, für ein n ∈ N, dann ist zu zeigen, dass auch xn+1 > 0 gilt. Wegen xn > 0 ist auch √ 2xn + 3 > 0 und man kann daher die Wurzel ziehen und man erhält xn+1 = 2xn + 3 > 0. Weiters ist die Folge nach oben beschränkt durch 3, also xn ≤ 3 für alle n ∈ N. Wieder mit vollständiger Induktion ergibt sich: Induktionsanfang: Ist n = 1, so gilt x1 = 1 ≤ 3, eine wahre Aussage. Induktionsschritt: Angenommen xn ≤ 3 für ein n ∈ N, dann ist zu zeigen, dass auch xn+1 ≤ 3 gilt. Aus der Induktionsvoraussetzung erhält man unmittelbar √ xn ≤ 3 ⇒ 2xn ≤ 6 ⇒ 2xn + 3 ≤ 9 ⇒ xn+1 = 2xn + 3 ≤ 3. Somit ist die Folge nach oben beschränkt durch 3. Jetzt zeigt man, dass die Folge monoton wachsend ist, d.h. xn ≤ xn+1 für √ alle n ∈ N. Induktionsanfang: Ist n = 1, so gilt x1 = 1 ≤ 5 = x2 , was offenbar stimmt. Induktionsschritt: Angenommen es gilt xn ≤ xn+1 für ein n ∈ N, dann ist zu zeigen, dass auch xn+1 ≤ xn+2 gilt. Aus der Induktionsvoraussetzung folgt unmittelbar p √ xn ≤ xn+1 ⇒ 2xn + 3 ≤ 2xn+1 + 3 ⇒ 2xn + 3 ≤ 2xn+1 + 3 ⇒ xn+1 ≤ xn+2 . Daher ist die Folge (xn )n∈N eine monoton wachsende und nach oben beschränkte Folge und somit nach Satz 3.4.2 konvergent. Es gibt also ein s ∈ R, sodass limn→∞ xn = s. Nach Satz 3.2.9 (iv) konvergiert daher auch jede Teilfolge von (xn )n∈N gegen s, somit gilt auch limn→∞ xn+1 = s. Aus der rekursiven Definition der Folge (xn )n∈N ergibt sich somit die Gleichung q √ √ s = lim xn+1 = lim 2xn + 3 = 2 lim xn + 3 = 2s + 3. n→∞ n→∞ n→∞ √ Daher muss der Grenzwert der Gleichung s = 2s + 3 genügen. Da x1 = 1 und die Folge monoton wachsend ist muss der Grenzwert ebenfalls positiv sein. Man erhält weiter √ s = 2s + 3 ⇔ s2 = 2s + 3 ⇔ s2 − 2s − 3 = 0 ⇔ (s − 3)(s + 1) = 0. Da s positiv ist, folgt somit s = 3. Insgesamt erhält man daher lim xn = 3. n→∞ 5 q Beispiel B2. Sei M die Menge aller reellwertigen beschränkten Folgen. Zeigen Sie, dass durch ¡ ¢ d0 (xn )n∈N , (yn )n∈N := sup{|xn − yn | : n ∈ N} eine Metrik auf M definiert wird. Für welche α ∈ Q wird durch ¡ ¢ dα (xn )n∈N , (yn )n∈N := sup{nα |xn − yn | : n ∈ N} eine Metrik auf M definiert? Lösung: Ein metrischer Raum ist ein Paar (X, d), wobei X eine Menge und d eine wohldefinierte Abbildung von X × X nach R ist, die folgende drei Bedingungen erfüllt: (M1) Für alle x, y ∈ X ist d(x, y) ≥ 0. Es gilt d(x, y) = 0 genau dann, wenn x = y. (M2) Für alle x, y ∈ X gilt d(x, y) = d(y, x). (M3) Sind x, y, z ∈ X, so gilt: d(x, z) ≤ d(x, y) + d(y, z) . Die Funktion d0 ist für jedes Paar von Folgen ((xn )n∈N , (yn )n∈N ) ∈ M × M wohldefiniert, da die Folgen (xn )n∈N und (yn )n∈N beschränkt sind, also |xn | ≤ C1 und |yn | ≤ C2 für alle n ∈ N und gewisse, von den Folgen (xn )n∈N und (yn )n∈N aber nicht von n abhängige Konstante C1 , C2 ≥ 0, und damit |xn − yn | ≤ |xn | + |yn | ≤ C1 + C2 . Also ist die nichtleere Teilenge {|xn − yn | : n ∈ N} von R nach oben beschränkt. Da R ein vollständiger Körper ist, existiert somit sup{|xn − yn | : n ∈ N}. (M1): Nun sind alle Elemente von {|xn − yn | : n ∈ N} reelle Zahlen ≥ 0. Jede obere Schranke davon muss daher auch ≥ 0 sein. Also gilt immer ¡ ¢ d0 (xn )n∈N , (yn )n∈N ≥ 0. Im Fall (xn )n∈N = (yn )n∈N stimmen alle Folgenglieder überein, dh. xn = yn für alle n ∈ N. Es folgt |xn −yn | = 0 für alle {|xn −yn | : n ∈ N} ¡ n ∈ N. Also enthält ¢ d ) , ) nur das Element 0. Ihr Supremum (x (x ist daher 0. 0 n n∈N n n∈N ¡ ¢ Umgekehrt folgt aus d0 (xn )n∈N , (yn )n∈N = 0, dass 0 obere Schranke von {|xn − yn | : n ∈ N} ist und daher |xn − yn | ≤ 0 für alle n ∈ N. Da immer |xn − yn | ≥ 0, folgt |xn − yn | = 0 bzw. xn = yn für alle n ∈ N. Also gilt (xn )n∈N = (yn )n∈N . (M2): Wegen |a| = | − a| für alle a ∈ R folgt |xn − yn | = |yn − xn | für alle n ∈ N. Also 6 stimmen die Mengen {|xn − yn | : n ¡∈ N} und {|yn − ¢xn | : n ∈ N} überein und haben somit dasselbe Supremum d0 (xn )n∈N , (yn )n∈N . (M3): Seien (xn )n∈N , (yn )n∈N , (zn )n∈N ∈ M. Für jedes feste j ∈ N gilt wegen der für |.| gültigen Dreiecksungleichung |xj −yj | = |(xj −zj )+(zj −yj )| ≤ |xj −zj |+|zj −yj |. Nun ist für jedes feste j ∈ N auch ¡ ¢ ¡ ¢ |xj − zj | + |zj − yj | ≤ d0 (xn )n∈N , (zn )n∈N + d0 (zn )n∈N , (yn )n∈N , die rechts ja die Suprema und daher obere Schranken der Mengen {|xn − zn | : n ∈ N} bzw. {|zn − yn | : n ∈ N} stehen. Es folgt ¡ ¢ ¡ ¢ |xj − yj | ≤ d0 (xn )n∈N , (zn )n∈N + d0 (zn )n∈N , (yn )n∈N , womit die rechte Seite eine obere Schranke der Menge {|xn − yn | : n ∈ N} ist. Da das Supremum die kleinste obere Schranke ist, folgt ¡ ¢ ¡ ¢ ¡ ¢ d0 (xn )n∈N , (yn )n∈N ≤ d0 (xn )n∈N , (zn )n∈N + d0 (zn )n∈N , (yn )n∈N . ¡ ¢ Sei nun α ∈ Q. Im Fall α > 0 ist dα (xn )n∈N , (yn )n∈N := sup{nα |xn − yn | : n ∈ N} nicht für alle Paar ((xn )n∈N , (yn )n∈N ) ∈ M × M wohldefiniert. Man betrachte etwa die Konstante Nullfolge (xn )n∈N = (0)n∈N und die konstante Einsfolge (yn )n∈N = (1)n∈N . In diesem Fall ist {nα |xn − yn | : n ∈ N} = {nα : n ∈ N}. Wegen α > 0 ist diese Menge nicht nach oben beschränkt, und es existiert kein Supremum. Im Fall α ≤ 0 ist die Menge {nα |xn − yn | : n ∈ N} aber immer nach oben beschränkt, da Für C1 , C2 ≥ 0, sodass |xn | ≤ C1 und |yn | ≤ C2 für alle n ∈ N, wegen n|α| ≥ 1 nα |xn − yn | ≤ 1 (|xn | + |yn |) ≤ |xn | + |yn | ≤ C1 + C2 , n ∈ N, n|α| womit sie ein Supremum in R hat und dα wohldefiniert ist. Man zeigt nun analog wie oben, dass dα eine Metrik ist: (M1): Alle Elemente von {nα |xn − yn | : n ∈ N} sind reelle Zahlen ≥ 0. Jede obere Schranke davon muss daher auch ≥ 0 sein. Also gilt immer ¡ ¢ dα (xn )n∈N , (yn )n∈N ≥ 0. Im Fall (xn )n∈N = (yn )n∈N stimmen alle Folgenglieder überein, dh. xn = yn für alle n ∈ N. Es folgt nα |xn − yn | = 0 für alle n ∈¡ N. Also enthält¢ {nα |xn − yn | : n ∈ N} nur das Element 0. Ihr Supremum dα (xn )n∈N , (xn )n∈N ist daher 0. 7 ¡ ¢ Umgekehrt folgt aus dα (xn )n∈N , (yn )n∈N = 0, dass 0 obere Schranke von {nα |xn − yn | : n ∈ N} ist und daher nα |xn − yn | ≤ 0 für alle n ∈ N. Da immer nα |xn − yn | ≥ 0, folgt nα |xn − yn | = 0 bzw. xn = yn für alle n ∈ N. Also gilt (xn )n∈N = (yn )n∈N . (M2): Wegen |a| = | − a| für alle a ∈ R folgt nα |xn − yn | = nα |yn − xn | für alle n ∈ N. α Also stimmen die Mengen {nα |xn − yn | : n ∈ N} ¡ und {n |yn − x¢n | : n ∈ N} überein und haben somit dasselbe Supremum dα (xn )n∈N , (yn )n∈N . (M3): Seien (xn )n∈N , (yn )n∈N , (zn )n∈N ∈ M. Für jedes feste j ∈ N gilt wegen der für |.| gültigen Dreiecksungleichung j α |xj − yj | = j α |(xj − zj ) + (zj − yj )| ≤ j α |xj − zj | + j α |zj − yj |. Nun ist für jedes feste j ∈ N auch ¡ ¢ ¡ ¢ j α |xj − zj | + j α |zj − yj | ≤ dα (xn )n∈N , (zn )n∈N + dα (zn )n∈N , (yn )n∈N , die rechts ja die Suprema und daher obere Schranken der Mengen {nα |xn − zn | : n ∈ N} bzw. {nα |zn − yn | : n ∈ N} stehen. Es folgt ¡ ¢ ¡ ¢ j α |xj − yj | ≤ dα (xn )n∈N , (zn )n∈N + dα (zn )n∈N , (yn )n∈N , womit die rechte Seite eine obere Schranke der Menge {nα |xn − yn | : n ∈ N} ist. Da das Supremum die kleinste obere Schranke ist, folgt ¡ ¢ ¡ ¢ ¡ ¢ dα (xn )n∈N , (yn )n∈N ≤ dα (xn )n∈N , (zn )n∈N + dα (zn )n∈N , (yn )n∈N . q 8