Введение в теорию пределов

Начинается изучение теории пределов числовых последовательностей, которая является основой для дифференциального и интегрального исчисления.

Числовая последовательность

Числовая последовательность — это счётное упорядоченное множество чисел, занумерованных натуральными индексами. Важен именно порядок следования элементов.

Сходимость и конечный предел

Действительное число a называется пределом последовательности {xₙ}, если для любого ε > 0 существует номер N такой, что для всех n > N выполняется |xₙ – a| < ε.

Геометрическая интерпретация и следствия

На числовой прямой это означает, что начиная с некоторого номера все элементы последовательности попадают в ε-окрестность точки a.

  • Из сходимости к конечному пределу мгновенно следует, что последовательность ограничена (существует число M: |xₙ| ≤ M для всех n).
  • Сходящаяся последовательность имеет единственный предел (свойство единственности).

Все элементы последовательности, кроме конечного числа, находятся в окрестности предела.

Бесконечные пределы

Определения строятся по аналогии, используя понятие окрестности бесконечности.

  • Предел "+∞": ∀M ∃N: ∀n > N ⇒ xₙ > M.
  • Предел "–∞": ∀M ∃N: ∀n > N ⇒ xₙ < M.
  • Предел "∞" (без знака): ∀M ∃N: ∀n > N ⇒ |xₙ| > M.

Последовательность, сходящаяся к бесконечности, не является ограниченной.

Лемма о зажатой последовательности

Если для последовательности {zₙ}, начиная с некоторого номера, выполняется xₙ ≤ zₙ ≤ yₙ, и при этом пределы {xₙ} и {yₙ} существуют и равны одному и тому же числу a (или ±∞), то последовательность {zₙ} также сходится к этому же пределу a.

Арифметические свойства пределов

Пусть пределы последовательностей {xₙ} и {yₙ} существуют (конечные или бесконечные). Тогда, если выражения в правых частях корректно определены, выполняются равенства:

  1. lim(xₙ ± yₙ) = lim xₙ ± lim yₙ
  2. lim(xₙ ⋅ yₙ) = lim xₙ ⋅ lim yₙ
  3. lim(xₙ / yₙ) = lim xₙ / lim yₙ (при условии lim yₙ ≠ 0)

Ключевое условие: "Пусть то, что справа, корректно определено. Тогда то, что слева, тоже корректно и равно этому".

Неопределённости

Бывают случаи, когда правая часть не определена однозначно, и требуется дополнительный анализ:

  • (+∞) + (–∞)
  • 0 ⋅ ∞
  • ∞ / ∞
  • 0 / 0

Связь последовательности и её модуля

Утверждение "lim xₙ = 0 ⇔ lim |xₙ| = 0" справедливо. Однако из существования предела модуля последовательности, вообще говоря, не следует существование предела самой последовательности.

Подпоследовательности и частичные пределы

Подпоследовательность {xₙₖ} получается из исходной последовательности {xₙ} выбором бесконечного набора элементов с сохранением порядка.

  • Предел сходящейся подпоследовательности называется частичным пределом исходной последовательности.
  • У ограниченной последовательности всегда существует хотя бы одна сходящаяся подпоследовательность (теорема Больцано — Вейерштрасса).
  • Если последовательность сходится (к конечному пределу или бесконечности), то и любая её подпоследовательность сходится к тому же пределу.

Верхний и нижний пределы

Для любой последовательности всегда существуют верхний (lim sup) и нижний (lim inf) пределы.

  • Для ограниченной последовательности это конечные числа.
  • Они равны соответственно наибольшему и наименьшему частичным пределам.
  • Последовательность имеет предел (конечный или бесконечный) тогда и только тогда, когда её верхний и нижний пределы совпадают.

Любая последовательность имеет верхний и нижний пределы. Это фундаментальный результат, позволяющий получать многие математические следствия.

Монотонные последовательности

Последовательность называется возрастающей, если xₙ₊₁ ≥ xₙ для всех n, и убывающей, если xₙ₊₁ ≤ xₙ.

Критерий сходимости монотонной последовательности

  • Монотонно возрастающая последовательность сходится к конечному пределу, если она ограничена сверху. Если она не ограничена сверху, то её предел равен +∞.
  • Монотонно убывающая последовательность сходится к конечному пределу, если она ограничена снизу. Если она не ограничена снизу, то её предел равен –∞.

Любая монотонная последовательность имеет предел (конечный или бесконечный).

Число e

Рассмотрим последовательность xₙ = (1 + 1/n)ⁿ. Она является монотонно возрастающей и ограниченной сверху. Следовательно, она имеет конечный предел, который обозначается буквой e (число Эйлера).
e ≈ 2.71828...

Критерий Коши (критерий фундаментальности)

Для сходимости последовательности к конечному пределу необходимо и достаточно, чтобы она удовлетворяла условию Коши:
∀ε > 0 ∃N: ∀n, m > N ⇒ |xₙ – xₘ| < ε.

Прелесть критерия Коши в том, что он позволяет установить факт сходимости, не зная заранее значения предела.