background image

Ciągi liczbowe.  Granice ciągów. 

(notatki z wykładu) 

 

Nieskończony  ciąg  liczbowy    (a

n

)    jest  funkcją  określoną  na  liczbach  naturalnych, 

przyjmującą wartości rzeczywiste. 
 

Ciąg  (a

n

)  jest rosnący  

  

n

N: a

n

 < a

n+1

Ciąg  (a

n

)  jest niemalejący  

  

n

N: a

n

 

 a

n+1

 
Podobnie definiuje się ciąg malejący czy też ciąg nierosnący
 

Ciąg  (a

n

)  jest ograniczony z góry  

  

M

n

N: a

n

 < M. 

Ciąg  (a

n

)  jest ograniczony z dołu  

  

m

n

N: a

n

 > m. 

 

Przykład 1.  Określić monotoniczność ciągu  a

 = 

1

2

n

n

Oszacujemy w tym celu wyrażenie  

n

n

a

a

1

.   Mamy tutaj  

n

n

a

a

1

1

2

3

2

1

n

n

n

n

 =  

)

1

2

)(

3

2

(

)

3

2

(

)

1

2

)(

1

(

n

n

n

n

n

n

 = 

)

1

2

)(

3

2

(

1

n

n

.  Wyrażenie to jest dodatnie dla każdego naturalnego n, 

a więc spełniona jest zawsze nierówność  a

n

 < a

n+1

, czyli badany ciąg jest rosnący. 

 

Przykład 2.  Sprawdzić ograniczoność ciągu  a

 = 

1

2

n

n

Zauważmy, że dla każdego naturalnego n zachodzi nierówność  

1

2

n

n

> 0, czyli badany  ciąg 

jest ograniczony z dołu.  Możemy także zapisać, że 

1

2

n

n

 = 

2

1

(

1

2

2

n

n

) = 

2

1

(

1

2

1

1

2

n

n

) = 

2

1

2

1

(

1

2

1

n

). 

Ostatnie wyrażenie jest zawsze mniejsze od 

2

1

, a więc badany ciąg jest też ograniczony z góry. 

 

Definicja granicy ciągu (wg Cauchy’ego). 

 

g

a

n

n

lim

 

  



>0 

m

n>m: 

a

n

–g

 < 

 

 
Przykład 3.  Wykazać na podstawie definicji granicy ciągu, że 

n

lim

2

3

n

n

 = 3. 

Wychodząc z nierówności  

2

3

n

n

–3

  otrzymujemy,  że  

2

6

3

3

n

n

n

,  skąd  

2

6

n

,  

czyli  

6

< n+2  i dalej  

6

–2 < n  a więc  n > 

6

–2.  Dla każdego  

>0  istnieje zatem  liczba m 

zależna tylko od 

   ( m = [

6

–2+1] ),  że dla wszystkich  n > m  spełniona jest wyjściowa 

nierówność. 

 

Ciąg, który ma granicę, jest zbieżny.  Jeżeli nie istnieje liczba rzeczywista, która jest granicą 

danego ciągu, to mówimy, że taki ciąg jest rozbieżny
 

Ciągi rozbieżne do  +

  lub  –

 : 

n

n

a

lim

 

  

X

m

n>m: a

>X 

 



n

n

a

lim

 

  

x

m

n>m: a

<x

 

 

background image

 

Oto kilka podstawowych granic ciągów: 

 

  

c

c

n

lim

 

 (granica ciągu stałego  a

 = c

  

jest równa stałej  c) 

 

  

n

lim n

1

 = 0

 

 

   Jeżeli a>0,    to     

n

lim n

a

 = 

       oraz      

n

lim

a

n

1

 = 0 

 

 

Podstawowe twierdzenia o ciągach i ich granicach. 

 
Twierdzenie 1. 

Ciąg rosnący  (malejący)  i ograniczony z góry  (z dołu)  jest zbieżny. 

 
Twierdzenie 2, 

Każdy podciąg ciągu zbieżnego jest zbieżny do tej samej granicy. 

 

Z tw. 2 wynika, że jeśli mamy przynajmniej dwa podciągi pewnego ciągu, które są zbieżne 

do  różnych  granic,  to  dany  ciąg  jest  rozbieżny  (nie  ma  granicy).    Na  przykład  dla  ciągu 

n

n

a

)

1

(

 mamy dwa podciągi stałe: 

1

2

n

a

  (wyrazy o numerach parzystych)  oraz   

1

1

2

n

a

 

(wyrazy o numerach nieparzystych).  Oba te podciągi są zbieżne, ale do różnych granic – jeden 
do 1,  drugi do –1, czyli omawiany ciąg nie ma granicy. 
 
Twierdzenie 3   (o granicy sumy, iloczynu i ilorazu ciągów). 

Jeżeli   

a

a

n

n

lim

   i   

b

b

n

n

lim

,  to 

a)  

b

a

b

a

n

n

n

)

(

lim

,        b)  

b

a

b

a

n

n

n

)

(

lim

,      c)   

b

a

b

a

n

n

n

)

/

(

lim

    (b

n

0,  b

0). 

 
 

Przykład 4. 

a)    

5

1

5

1

)

5

(

)

1

(

1

5

2

3

2

2

1

1

2

3

1

1

2

3

2

2

lim

lim

lim

2

2

2

2

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

 

b)    

3

2

6

4

/

1

/

4

9

3

(

)

/

1

4

(

lim

1

4

9

3

1

4

9

9

lim

)

1

4

9

3

(

lim

2

2

2

2

2

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

 

 

Twierdzenie 4. 

Jeżeli  



n

n

a

lim

,     to   

0

1

lim

n

n

a

 

Twierdzenie 5. 

Jeżeli  a > 0,  to  

1

lim

n

n

a

.         

1

lim

n

n

n

.         Jeżeli  a

n

 > 0  i  

n

n

a

lim

>0,  to  

1

lim

n

n

n

a

 
 
 
 
 

background image

Twierdzenie 6. 



-1

q

gdy  

 

istnieje

 

nie

1

q

gdy  

  

1

 

 

q

gdy  

  

1

1

q

gdy  

  

0

lim

n

n

q

 
Twierdzenie 7. 

e

n

n

n

)

1

1

(

lim

.       (

e

  jest liczbą niewymierną (liczba Eulera);  

e

 

 2,72 ) 

 
Twierdzenie 8. 

Jeżeli dla ciągu  (a

n

)  istnieje granica   

g

lim

1

n

n

n

a

a

 < 1,    to  

0

lim

n

n

a

 

Dowód tw.8.   Jeżeli  

n

n

a

a

1

< 1  od pewnego n

0

,  to znaczy, że  

n

n

a

a

1

,  czyli ciąg  (

n

a

)  

jest ciągiem malejącym.  Jest on ograniczony z dołu przez liczbę 0,  bo  

n

a

 

 0,  a więc musi to 

być ciąg zbieżny.  Twierdzimy, że jego granicą jest liczba 0. 
Załóżmy nie wprost, że 0 nie jest tą granicą, lecz jest nią pewna liczba  a 

 0.  Wtedy musiałoby 

być,  że 

1

a

a

lim

1

n

n

n

a

a

,    a  to  jest  wbrew  założeniu,  że    g  <  1.    A  więc  wykazaliśmy,  że  

0

lim

n

n

a

  

 
 

Twierdzenie 9.  (o trzech ciągach) 

Jeżeli ciągi  (a

n

),  (b

n

),  (c

n

) spełniają warunki  a

 

 b

n

 

 c

n

  dla wszystkich  n  większych od 

pewnego  n

0

   oraz  

g

c

a

n

n

n

n

lim

lim

,   to   

g

b

n

n

lim

 

Twierdzenie 10.  (o dwóch ciągach) 

Jeżeli  

n

n

a

lim

   i   a

 

 b

n

  dla wszystkich  n  większych od pewnego  n

0

,  to  

n

n

b

lim

 
Przykład 5. 

a)   

n

n

n

n

3

2

4

3

5

lim

 

)

1

)

((

3

)

5

(

3

3

2

3

4

lim

n

n

n

n

n

 

1

)

(

5

3

2

3

4

lim

n

n

n

 

1

5

 = 5        (na podst. tw.3 i  tw.6). 

b)   

n

n

n

)

1

(

lim

2

3

 

)

2

/

3

(

)

3

/

2

(

)

3

/

2

(

1

)

1

(

lim

n

n

n

 e

(3/2)

           (na podst. tw.7). 

c)   

0

!

 

7

lim

n

n

n

  ponieważ    

0

7

lim

)]

!

 

7

/(

)

!

 

1)

n

(

7

[(

lim

1

n

n

n

n

n

n

         (na podst. tw.8). 

 
Przykład 6. 

Wyznaczyć granicę ciągu  a

n

 = 

n

n

n

6

4

.   

Zauważmy, że zachodzą oczywiste nierówności:   

n

n

6

 

 

n

n

n

6

4

 

 

n

n

6

2

.  A ponieważ 

6

  

6

lim

  

6

lim

n

n

n

n

,    a także  

6

 

 

1

6

  

  

2

6

lim

  

6

2

lim

n

n

n

n

n

,   więc  

n

lim

n

n

n

6

4

 = 6 

(na podst. twierdzenia o 3 ciągach). 
 
 

background image

 
Przykład 7. 

Wyznaczyć granicę ciągu   a

n

 =

1

2

1

n

+

2

2

1

n

+...+

n

n

2

1

Zauważmy,  że   

n

n

n

2

 

  a

n

 

 

2

n

n

,      a  ponieważ   

n

lim

n

n

n

2

  = 

n

lim

n

n

n

1

1

  =  1,  a  także 

n

lim

2

n

n

= 1,  więc na podstawie twierdzenia o trzech ciągach mamy, że  

n

lim a

n

 = 1.