M_R_W16_M3 Szereg geometryczny
1. Granica ciągu liczbowego
Jedną z podstawowych własności ciągu zbieżnego jest posiadanie przez niego granicy. Obecnie stosowana definicja granicy ciągu została podana niezależnie przez dwóch matematyków. Pierwszym z nich był pochodzący z Czech Bernard Bolzano, który podał definicję granicy w roku w publikacji Der binomische Lehrsatz. Drugim był Francuz Augustin Louis Cauchy (Cours d’analyse, ).
Dowiesz się czym jest otoczenie a czym sąsiedztwo punktu na osi liczbowej.
Dowiesz się, co oznacza sformułowanie „prawie wszystkie wyrazy ciągu nieskończonego”.
Poznasz definicję granicy ciągu zbieżnego.
Poznasz przykłady ciągów posiadających granice.
Otoczenie i sąsiedztwo punktu
Przed sformułowaniem definicji otoczenia punktu przypomnijmy, że jeśli mamy dane dwie liczby rzeczywiste i na osi liczbowej, to ich odległość definiujemy jako wartość bezwzględną ich różnicy, czyli liczbę .
Odległość liczb oraz na osi liczbowej wynosi:
.
Otoczeniem punktu o promieniu nazywamy zbiór wszystkich liczb rzeczywistych, których odległość od jest mniejsza od . Otocznie punktu o promieniu oznaczamy . Powyższą definicję możemy zatem zapisać symbolicznie
Korzystając z definicji wartości bezwzględnejwartości bezwzględnej możemy zapisać otoczenie punktu w równoważny sposób w postaci przedziału
Pojęcie otoczenia punktu ilustruje poniższy rysunek.
Otoczeniem punktuOtoczeniem punktu o promieniu jest zbiór
Możemy zapisać w postaci przedziału .
Często pojawia się potrzeba zbadania pewnej własności w otoczeniu jakiegoś punktu na osi liczbowej, lecz nie interesuje nas ta własność w samym punkcie. W takiej sytuacji możemy posłużyć się pojęciem sąsiedztwasąsiedztwa.
Sąsiedztwem punktu o promieniu nazywamy zbiór
Sąsiedztwo punktu możemy zatem interpretować jako otoczenie punktu bez tego punktu.
Czasami w praktyce potrzebujemy zbadać pewną własność jedynie z lewej lub z prawej strony pewnego punktu. Mówimy wówczas o sąsiedztwie lewostronnym lub prawostronnym. Bardziej precyzyjnie sąsiedztwem lewostronnym punktu nazywamy zbiór dla pewnej liczby , natomiast sąsiedztwem prawostronnym punktu nazywamy zbiór dla pewnej liczby .
Zapoznaj się z poniższą infografiką ilustrującą na osi liczbowej otoczenie o promieniu punktu o współrzędnej , a następnie odpowiedz na zamieszczone niżej pytania.
Na podstawie zamieszczonej infografiki wyznacz promień otoczenia punktu o współrzędnej .
Zapisz za pomocą wartości bezwzględnej, otoczenie punktu o współrzędnej , przedstawione w infografice.
Co to znaczy „prawie wszystkie wyrazy ciągu nieskończonego”?
Przy formułowaniu pojęcia granicy ciągu wykorzystuje się często zwrot „prawie wszystkie wyrazy ciągu nieskończonego”. Zwrot ten stosuje się jedynie do ciągów nieskończonych, tzn. takich które posiadają nieskończenie wiele wyrazów. W związku z tym w dalszym ciągu będziemy mówić po prostu „prawie wszystkie wyrazy ciągu” pamiętając, że ciąg ten musi być ciągiem nieskończonym. Mówiąc najprościej zwrot „prawie wszystkie wyrazy ciągu” oznacza wszystkie jego wyrazy poza skończoną ich ilością. Aby dobrze zrozumieć to sformułowanie przyjrzyjmy się poniższym przykładom.
Rozważmy ciąg, który składa się ze wszystkich liczb naturalnych: . Ciąg taki możemy zapisać wzorem
Jeżeli usuniemy z tego ciągu kilka jego początkowych wyrazów, np. , to otrzymamy ciąg . Ten nowo otrzymany ciąg składa się z prawie wszystkich wyrazów ciągu , gdyż nie zawiera jedynie trzech jego wyrazów . Podobnie jeśli wzięlibyśmy pod uwagę ciąg
Powyższy ciąg zawiera wszystkie wyrazy ciągu za wyjątkiem wyrazów . Wyrazów tych jest dokładnie a zatem ilość skończona. Stąd możemy powiedzieć, że rozważany ciąg zawiera prawie wszytskie wyrazy ciągu , tzn. wszytskie poza skończoną ilością (która w tym przypadku jest równa ).
Niech dany będzie ciąg oraz pewien zbiór . Powiemy, że do zbioru należą prawie wszystkie wyrazy ciągu , jeśli istnieje co najwyżej skończona liczba wyrazów ciągu , które nie należą do zbioru .
Rozważmy ciąg
Weźmy dowolne otoczenie liczbyotoczenie liczby , tzn. zbiór wszystkich liczb rzeczywistych spełniających nierówność , gdzie jest dowolną, ustaloną dodatnią liczbą rzeczywistą. Zbiór ten można zapisać w postaci przedziału . Zauważmy, że wybierając dostatecznie dużą liczbę naturalną ułamek będzie mniejszy od wybranej dodatniej liczby . Ponieważ dla dowolnej liczby naturalnej więc wszystkie wyrazy ciągu począwszy od wyrazu należą do przedziału . Obserwacja ta prowadzi do wniosku, że dla dowolnej liczby dodatniej do przedziału należą prawie wszystkie wyrazy ciągu (tzn. wszytskie za wyjątkiem wyrazów ). Ilustruje to poniższa grafika.

Oczywiście im liczba będzie bliżej zera, tym liczba naturalna będzie musiała być większa aby warunek był spełniony. Jednak wciąż nierówność ta będzie spełniona dla prawie wszystkich wyrazów ciągu ( tzn. dla ułamków ).
Na poniższej infografice zilustrowane zostało pojęcie prawie wszystkich wyrazów ciągu na przykładzie pewnego ciągu nieskończonego. Zapoznaj się z tą infografiką a następnie wykonaj polecenia zamieszczone poniżej.
Do których z podanych przedziałów należą prawie wszystkie wyrazy ciągu przedstawionego na infografice.
Podaj przykład ciągu takiego, że do przedziału należą prawie wszystkie jego wyrazy.
Granica ciągu
Zanim podamy formalną definicję granicy ciągu nieskończonego, przyjrzyjmy się następującemu przykładowi. Rozważmy ciąg określony wzorem , gdzie . Podstawiając za kolejne liczby naturalne, otrzymujemy ciąg postaci:
, , , , ...
Ciąg ten można przedstawić graficznie następująco
Zwróćmy uwagę, że każdy kolejny wyraz tego ciągu znajduje się coraz bliżej zera. Wynika to z faktu, że wyrazami tego ciągu są ułamki zwykłe, których liczniki są zawsze równe jeden, natomiast mianowniki to kolejne liczby naturalne. Zatem ciąg ten jest malejący i oczywiście wszystkie jego wyrazy są dodatnie. Gdybyśmy teraz rozważyli dowolne otoczenie zera, czyli przedział , to niezależnie od wyboru dodatniej liczby (w szczególności biorąc dowolnie małą dodatnią liczbę ) zawsze do takiego otoczenia należeć będą prawie wszystkie wyrazy tego ciągu (tzn. wszystkie poza skończoną ilością).
Patrząc na powyższy rysunek widzimy, że wybierając dodatnią liczbę dowolnie blisko zera, zawsze po jej prawej stronie będzie się znajdować skończona ilość wyrazów ciągu. Zatem na lewo znajdować się będą prawie wszystkie wyrazy tego ciągu.
Powyższa obserwacja pozwala sformułować intuicyjną definicję granicy ciągu. Mianowicie jest to taka liczba rzeczywista , że w dowolnym jej otoczeniuotoczeniu znajdują się prawie wszystkie wyrazy tego ciągu. Powyższą definicję można zapisać w sposób formalny następująco.
Niech dany będzie ciąg nieskończony . Powiemy, że liczba jest granicą tego ciągu, jeśli dla dowolnej liczby dodatniej istnieje liczba naturalna taka, że dla dowolnej liczby naturalnej zachodzi nierówność
Korzystając z definicji wartości bezwzględnej ostatnią nierówność można zapisać następująco
czyli
Ostatnia nierówność oznacza właśnie, że prawie wszystkie wyrazy ciąguprawie wszystkie wyrazy ciągu (dokładnie wszystkie począwszy od wyrazu o numerze ) należą do przedziału , czyli do otoczeniaotoczenia liczby o promieniu , przy czym liczbę dodatnią można wybrać dowolnie małą.
Jeśli ciąg posiada granicę równą liczbie , to fakt ten zapisujemy następująco
Powróćmy do początkowego przykładu ciągu , gdzie . Z przeprowadzonych rozważań wynika, że ciąg ten posiada granicę i jest ona równa . Zatem zgodnie z definicją dla każdej dodatniej liczby istnieje liczba naturalna taka, że dla dowolnej liczby naturalnej zachodzi nierówność . Podstawiając wzór ciągu i korzystając z faktu, że wszystkie jego wyrazy są dodatnie, ostatnia nierówność jest równoważna nierówności . Jest to nierówność prawdziwa, gdyż wybierając dowolną dodatnią liczbę (w szczególności dowolnie małą) zawsze znajdziemy na tyle dużą liczbę naturalną , aby . Wówczas nierówność ta będzie też spełniona dla każdej liczby naturalnej . Zatem istotnie prawdą jest, że
Zapoznaj się z poniższą infografiką, na której przedstawiono interpretację geometryczną ciągów oraz , które posiadają taką samą granicę .
Następnie na podstawie podanych w infografice wartości niektórych wyrazów tych ciągów, odpowiedz na zamieszczone poniżej pytania.
Jaka jest granica obu ciągów przedstawionych na powyższej infografice?
Zapisz wzór na wyraz ogólny każdego z ciągów przedstawionych na powyższej infografice.
Słownik
otoczenie punktu bez tego punktu
wszystkie wyrazy ciągu poza skończoną ich ilością