Wykład 7. 22 listopada 2010
3) Nierówności.
df
[( an)] < [( bn)] ⇐⇒ ∃h ∈ + ∃N ∀n N bn − an h Relacja jest dobrze określona (nie zależy od wyboru reprezentanta) bo jeśli b0 −
n
bn −→ 0 , a0 − a
n
n −→ 0 to przy odpowiednio dobranym N takim aby zachodziły równocześnie, przy n N, nierówności bn − an h, |an − a0 | < h, |b
| < h to
n
3
n − b0n
3
h
h
h
b0 − a0 = b0 − b
h −
−
=
.
n
n
n
n + bn − an + an − a0n
3
3
3
df
x ¬ y ⇐⇒ x = y lub x < y; x < y ⇔ x ¬ y i x 6= y.
Własności.
3.1) ∀x ∈
x ¬ x;
3.2) ∀x, y, z ∈
x ¬ y i y ¬ z ⇒ x ¬ z;
3.3) ∀x, y ∈
x ¬ y i y ¬ x ⇒ x = y.
3.4) ∀x, y ∈
x ¬ y ∨ y ¬ x
3.5) Jeżeli x, y ∈
i x < y to istnieje q ∈
( q ∈ ( )) x < q < y
Dowód 3.5). Niech - x = [( an)] , y = [( bn)] a dla h ∈
+ = {q ∈
: q > 0 } niech
istnieje N takie, że dla n N mamy
h
h
bn − an h, |bn − bN | <
, |a
.
2
n − aN | < 2
Zdefiniujmy q := bN + aN . Wtedy a
< q < b
. Mamy dla n N
2
n + h
2
N − h
4
h
h
h
h
an = aN + an − aN < q −
+
= q −
⇒ q − a
,
2
4
4
n 4
h
h
h
h
bn = bN + bn − bN > + −
= q +
⇒ b
,
2
4
4
n − q − an 4
co oznacza, że x < q i q < y.
4) Znak liczby x.
1 , x > 0
sgn x = sgn( x) = sign x = sign( x) df
=
0 , x = 0
− 1 , x < 0
Wartość bezwzględna liczby x.
x, x 0
|x| = x sgn x =
−x, x < 0
33
Równoważnie możemy zdefiniować |x| = |[( an)] | = [( |an|)].
Definicja jest dobrze postawiona, bo jeśli an − a0 −→ 0 czyli |a
| < ε dla
n
n − a0n
n N to
|an| − |a0 || ¬ |a
| < ε,
n
n − a0n
gdyż dla dowolnych liczb a, b ∈
||a| − |b|| ¬ |a − b| ¬ |a| + |b|.
Aby uzasadnić pierwszą nierówność zauważmy, że
|a| = |a − b + b| ¬ |a − b| + |b|, |b| = |b − a| + |a| = |a − b| + |a|
⇓
−|a − b| ¬ |a| − |b| ¬ |a − b| ⇔ ||a| − |b|| ¬ |a − b|.
5) Kresy zbiorów.
∅ 6= A ⊂
M aj( A) - zbiór majorant zbioru A
M in( A) - zbiór minorant zbioru A
M aj( A) := {x ∈
: ∀a ∈ A a ¬ x}
M in( A) := {x ∈
: ∀a ∈ A a x}.
M aj( A) 6= ∅ df
⇒ A − ograniczony z góry
⇒ A ograniczony
M in( A) 6= ∅ df
⇒ A − ograniczony z dołu
b 0 ∈ M in( A) i b 0 ∈ M aj( M in( A)) df
∀x ∈ A x b
b
0
0 = inf A
⇔
⇔
m
.
∀y ∈ Min( A) y ¬ b 0
b 0 ∈ M in( A) ∩ M aj( M in( A)) b 1 ∈ M aj( A) i b 1 ∈ M in( M aj( A)) df
∀x ∈ A x ¬ b
b
1
1 = sup A
⇔
⇔
m
.
∀y ∈ Maj( A) y b 1
b 1 ∈ M aj( A) ∩ M in( M aj( A)) Twierdzenie - Zasadnicza własność
∅ 6= A ⊂
M aj( A) 6= ∅ ⇒ ∃b 1 ∈
b 1 = sup A
∅ 6= A ⊂
M in( A) 6= ∅ ⇒ ∃b 0 ∈
b 0 = inf A
a :
−→
ciąg o wyrazach rzeczywistych
( a
n) rosną cy
⇔ ∀ n an < an+1
( a
n) niemaleją cy
⇔ ∀ n an ¬ an+1
( an) monotoniczny
( a
n) maleją cy
⇔ ∀ n an > an+1
( a
n) nierosną cy
⇔ ∀ n an an+1
34
Ciąg ( an) jest monotoniczny od pewnego miejsca (lub prawie monotoniczny) df
⇔ ∃ N 0
ciąg ( an+ N ) jest monotoniczny.
0
M aj( a( )) 6= ∅ df
⇒ ( an) ograniczony z gó ry
df
i
⇔ ( an) ograniczony
M in( a( )) 6= ∅ df
⇒ ( a
n) ograniczony z doł u
Ciąg ( an) jest zbieżny
m df
∃ g ∈
g = lim an
n→∞
m
∃L > 0 ∀ε > 0 ∃N = N( ε) ∀n N |an − g| < Lε
Twierdzenie o ciągach monotonicznych
( an) niemalejący (rosnący) i ograniczony z góry ⇒ ( an) zbieżny ( an) niemalejący (rosnący) i ograniczony z góry ⇒ ( an) zbieżny Dowód. Wykażemy pierwszą część twierdzenia, dowód drugiej jest podobny. Niech g := sup a( ). Wtedy an ¬ g < g + ε.
Ponieważ g − ε < g to g − ε 6∈ Maj( a( )) ⇒ ∃ N aN > g − ε.
Monotoniczność ciągu ( an) implikuje, że dla n N an g − ε co daje nierówności g − ε < an < g + ε, równoważne nierówności |an − g| < ε.
M aj( A) = ∅ ⇒ sup A =: + ∞; M in( A) = ∅ ⇒ inf A =: −∞; sup A ¬ sup B
∅ 6= A ⊂ B ⇒ inf A inf B
( an) ciąg ograniczony
k = {n ∈
: n k}
bk := inf a( k ) , ck := sup a( k )
∀n bn ¬ an ¬ cn
k+1 ⊂
n
⇓
ck+1 ¬ ck ⇒ ( ck) nierosnący ⇒ ∃ h = lim cn n→∞
35
bk+1 bk ⇒ ( bk) niemalejący ⇒ ∃ g = lim bk k→∞
h =: lim sup an = lim n
a
→∞
n
n→∞
g =: lim inf an = lim
an
n
n→∞
→∞
Twierdzenie.
(1) ∀ε > 0 ∃N∀n N am ¬ h + ε
h = lim sup an ⇔
n
(2) ∃( k
a
= h
→∞
n)
lim k
n
n
→∞
(1) ∀ε > 0 ∃N∀n N an g − ε
g = lim inf an ⇔
n→∞
(2) ∃( ln) lim al = g
n
n
→∞
Dowód. Wykażemy tylko równoważność dla granicy górnej.
( ⇒) Niech h = lim sup an = lim cn. Dla ε > 0 Istnieje N takie, że dla n N
n→∞
n→∞
h − ε < cn < h + ε, skąd an ¬ cn ¬ h + ε. Dla dowolnego j h − 1 < h i możemy j+1
znaleźć takie kj, że h− 1 < a < h+ 1 i k a
= h.
j+1
kj
j+1
j < kj+1. Stąd już wynika, że lim
k
n
n
→∞
( ⇐) Jeśli założymy, że prawdziwa jest prawa strona równoważności. Wynika stąd, że lim sup an = lim cn ¬ h. Ponieważ ak → h to wynika, stąd, że n
n→∞
n→∞
ck a
h − ε, n N
,
n
kn
1
⇒ cn h − ε, n kN 1
co pokazuje, że h = lim sup an.
n→∞
Wniosek (twierdzenie Bolzano-Weierstrassa).
( an) ∈ B( ) (ciąg ograniczony) ⇒ ∃( kn) ( ak ) - zbieżny.
n
Przykład.
an = ( − 1) n, cn = 1 , bn = − 1
lim sup an = 1 , lim inf an = − 1 , n→∞
n→∞
a 2 n− 1 −→ − 1 , a 2 n −→ 1 .
Twierdzenie.
g = lim an ⇔ lim inf an = lim sup an = g.
n→∞
n→∞
n→∞
Dowód.
( ⇒) g − ε < an < g + ε ⇒ g − ε < bn < g + ε, g − ε < cn < g + ε, co daje lim inf an = lim sup an = g.
n→∞
n→∞
( ⇐) Mamy nierówności
g − ε < bn ¬ an, n N 1
⇒ g − ε < a
a
n < g + ε , n N = max( N 1 , N 2) .
n ¬ cng + ε, n N 1
36
Twierdzenie.
( an) ∈ C( ) ⇔ ∃g ∈
lim an = g.
n→∞
Dowód. Niech ( an) ∈ C( ). Wtedy ( an) ∈ B( ). Niech g = lim inf an, h =
n→∞
lim sup an. Wystarczy pokazać, że g = h a ponieważ g ¬ h to wystarczy, uzasadnić, że n→∞
g h. Niech ak −→ h, a → g. Ponieważ ( a
− a | < ε dla
n
ln
n) ciąg Cauchy’ego to |akn
ln
n N , skąd
g + ε > al > a
− ε > h − 2 ε ⇒ g > h − 3 ε ⇒ g h.
n
kn
37