Числови редици. Граница на числова редица | Математически анализ | Д-р Атанас Илчев
📞 Онлайн уроци по математика за цялата страна◆гл.ас. д-р Атанас Илчев◆Индивидуални и групови уроци • Тел: 0883 375 433◆Подготовка за НВО, ДЗИ, кандидатстудентски изпити◆📞 Онлайн уроци по математика за цялата страна◆гл.ас. д-р Атанас Илчев◆Индивидуални и групови уроци • Тел: 0883 375 433◆Подготовка за НВО, ДЗИ, кандидатстудентски изпити◆
Математика › Математически анализ › Числови редици
Числови редици. Граница на числова редица
Основни понятия, монотонност, ограниченост, граница по дефиниция (ε–N), лема за двамата полицаи, основна граница \(e\), 27 разработени задачи
Понятието „числова редица" е познато от училищния курс — аритметична и геометрична прогресия са двата основни типа. В курса по математически анализ разширяваме тези познания. Числовите редици са намерили приложение още от времето на Древен Египет (папирус на Ахмес, ок. 1550 г. пр.н.е.) до модерните компютърни науки. Сред най-известните редици са тази на Фибоначи (1202 г.), числата на Бернули и редицата на простите числа.
2.1. Основни понятия
Определение 2.1 (Числова редица). Ако по някакво правило на всяко естествено число съпоставим реално число, казваме, че сме задали числова редица \(\{a_n\}_{n=1}^{\infty}\). Редицата може да се задава чрез: формула за общия член; рекурентна връзка; описание.
Определение 2.2 (Монотонност). Редицата \(\{a_n\}\) е: растяща ако \(a_n < a_{n+1}\); намаляваща ако \(a_n > a_{n+1}\); ненамаляваща ако \(a_n \le a_{n+1}\); нерастваща ако \(a_n \ge a_{n+1}\) — за всяко \(n\in\mathbb{N}\). Редицата е монотонна ако е ненамаляваща или нерастваща; строго монотонна ако е растяща или намаляваща.
Определение 2.3 (Ограниченост). Редицата \(\{a_n\}\) е ограничена отгоре ако \(\exists M\in\mathbb{R}:a_n\le M\); ограничена отдолу ако \(\exists M\in\mathbb{R}:a_n\ge M\); ограничена ако \(\exists M>0:|a_n|\le M\) за всяко \(n\in\mathbb{N}\).
Има редици, които не са нито растящи, нито намаляващи. Например \(-5,5,-5,5,\ldots\) — редуващо се, но не монотонно.
Разработени задачи — 2.1
Кликнете върху задача за пълното решение.
1
Напишете първите пет члена на редицата с общ член \(a_n=\dfrac{2n+1}{3n-5}\).
▼
Решение
Заместваме \(n=1,2,3,4,5\):
\[a_1=\frac{3}{-2}=-\frac{3}{2},\quad a_2=\frac{5}{1}=5,\quad a_3=\frac{7}{4},\quad a_4=\frac{9}{7},\quad a_5=\frac{11}{10}.\]
Забележка: за \(n=1\) знаменателят е \(3\cdot1-5=-2\neq0\). Редицата е добре дефинирана за всяко \(n\in\mathbb{N}\) (знаменателят се нулира при \(n=5/3\notin\mathbb{N}\)).
2
Напишете първите пет члена на редицата, зададена чрез \(a_1=1\), \(a_2=2\), \(a_n=2a_{n-1}+3a_{n-2}\).
▼
Решение
\[a_3=2\cdot2+3\cdot1=7,\quad a_4=2\cdot7+3\cdot2=20,\quad a_5=2\cdot20+3\cdot7=61.\]
Отговор: \(1,\;2,\;7,\;20,\;61\). При рекурентна редица не можем да намерим директно \(a_{99}\) — трябва последователно да пресметнем \(a_3,\ldots,a_{99}\).
3
Намерете формула за общия член на редицата: \(a_1=1\), \(a_2=2\), \(a_n=4a_{n-1}+3a_{n-2}\).
▼
Решение
Търсим \(a_n=\alpha^n\). Характеристично уравнение: \(\alpha^2-4\alpha-3=0\), откъдето \(\alpha_{1,2}=2\pm\sqrt{7}\). Общото решение: \(a_n=A(2+\sqrt{7})^n+B(2-\sqrt{7})^n\). От \(a_1=1\), \(a_2=2\):
\[A=\frac{1}{2(2+\sqrt{7})},\qquad B=-\frac{1}{2(\sqrt{7}-2)}.\]
Следователно \(a_n=\dfrac{1}{2}\!\left(\dfrac{(2+\sqrt{7})^n}{2+\sqrt{7}}+\dfrac{(2-\sqrt{7})^n}{2-\sqrt{7}}\right)\).
4
Изследвайте дали редицата \(a_n=\dfrac{3n-1}{5n+2}\) е растяща или намаляваща.
▼
Решение
Пресмятаме \(a_{n+1}-a_n\):
\[\frac{3n+2}{5n+7}-\frac{3n-1}{5n+2}=\frac{(3n+2)(5n+2)-(3n-1)(5n+7)}{(5n+7)(5n+2)}=\frac{11}{(5n+7)(5n+2)}>0.\]
Следователно редицата е растяща.
2.2. Граница на числова редица
Определение 2.4 (Граница, ε–N). Редицата \(\{a_n\}\) е сходяща с граница \(a\), ако:
\[\forall\varepsilon>0\;\exists N\in\mathbb{N}\;\forall n\ge N\colon|a_n-a|<\varepsilon.\]
Пишем \(\lim\limits_{n\to\infty}a_n=a\). Несходяща редица се нарича разходяща.
Свойства (Твърдения 2.1–2.5):
Константната редица \(a_n=a\) има граница \(a\).
Добавянето/премахването на краен брой членове не променя границата.
Всяка сходяща редица е ограничена.
Ако \(\lim a_n=a\) и \(\lim b_n=b\): \(\lim(a_n\pm b_n)=a\pm b\); \(\lim(a_nb_n)=ab\); \(\lim\dfrac{a_n}{b_n}=\dfrac{a}{b}\) при \(b\neq0\); \(\lim\alpha a_n=\alpha a\).
За всяко \(q\in\mathbb{N}\): \(\lim\limits_{n\to\infty}\dfrac{1}{n^q}=0\).
Неопределености: \(\left[\dfrac{0}{0}\right]\), \(\left[\dfrac{\infty}{\infty}\right]\), \([0\cdot\infty]\), \([\infty-\infty]\), \([0^0]\), \([\infty^0]\), \([1^\infty]\). Техника за \([\infty-\infty]\) с корени: умножаваме и делим на спрягания израз: \((A-B)(A+B)=A^2-B^2\). Техника за полиномни дроби: изнасяме най-високата степен на \(n\) пред скоби в числителя и знаменателя. Обща формула: при \(\dfrac{a_kn^k+\cdots}{b_ln^l+\cdots}\): ако \(k<l\) → 0; ако \(k=l\) → \(\dfrac{a_k}{b_l}\); ако \(k>l\) → \(+\infty\) ако \(a_kb_l>0\) (старшите коефициенти имат еднакъв знак), и \(-\infty\) ако \(a_kb_l<0\) (старшите коефициенти имат противоположни знаци).
Решение
Степента на числителя (3) е по-малка от тази на знаменателя (4), затова границата е \(0\). Формално: изнасяме \(n^4\):
\[\lim_{n\to\infty}\frac{n^3(2-\frac3n+\cdots)}{n^4(3+\cdots)}=\lim_{n\to\infty}\frac{2}{3n}=\mathbf{0}.\]
Решение
Степента на числителя (4) е по-голяма от тази на знаменателя (3), старшите коефициенти са положителни, затова \(\lim\dfrac{3n}{2}=\mathbf{+\infty}\).
Решение
Степените са равни — границата е отношението на старшите коефициенти:
\[\lim_{n\to\infty}\frac{2n^2(1+\frac3{2n}-\frac1{2n^2})}{3n^2(1-\frac5{3n}+\frac1{n^2})}=\mathbf{\frac{2}{3}}.\]
Решение
Изнасяме \((n+1)!\) пред скоби: \((n+2)!=(n+2)(n+1)!\). Следователно:
\[\lim_{n\to\infty}\frac{(n+1)!\bigl[(n+2)+1\bigr]}{(n+1)!\bigl[(n+2)-1\bigr]}=\lim_{n\to\infty}\frac{n+3}{n+1}=\mathbf{1}.\]
Решение
Разлагаме: \(\dfrac{1}{k(k+1)}=\dfrac{1}{k}-\dfrac{1}{k+1}\). Сумата е телескопична — съкращават се всички вътрешни членове:
\[\sum_{k=1}^n\!\left(\frac1k-\frac1{k+1}\right)=1-\frac1{n+1}\;\xrightarrow{n\to\infty}\;\mathbf{1}.\]
Решение
Умножаваме и делим на спрягания израз:
\[\lim_{n\to\infty}\frac{(2n+3)-(2n-1)}{\sqrt{2n+3}+\sqrt{2n-1}}=\lim_{n\to\infty}\frac{4}{\sqrt{n}(\sqrt{2+3/n}+\sqrt{2-1/n})}=\mathbf{0}.\]
Решение
\[\lim_{n\to\infty}\frac{(3n^2+n-2)-(3n^2+2n+3)}{\sqrt{3n^2+n-2}+\sqrt{3n^2+2n+3}}=\lim_{n\to\infty}\frac{-n-5}{2n\sqrt{3+\cdots}}=\lim_{n\to\infty}\frac{-1-5/n}{2\sqrt{3}}=\mathbf{-\dfrac{1}{2\sqrt{3}}}.\]
Решение
\[\lim_{n\to\infty}n(\sqrt{n^2+1}-n)\cdot\frac{\sqrt{n^2+1}+n}{\sqrt{n^2+1}+n}=\lim_{n\to\infty}\frac{n}{\sqrt{n^2+1}+n}=\lim_{n\to\infty}\frac{1}{\sqrt{1+n^{-2}}+1}=\mathbf{\frac{1}{2}}.\]
Лема за двамата полицаи
Лема 2.1 (Граничен преход в неравенства). Ако \(\lim a_n=a\), \(\lim b_n=b\) и \(a_n\le b_n\) за всяко \(n\), то \(a\le b\).
Лема 2.2 (Лема за двамата полицаи). Ако \(a_n\le b_n\le c_n\) за всяко \(n\) и \(\lim a_n=\lim c_n=s\), то \(\lim b_n=s\).
18
Намерете \(\lim b_n\), където \(b_n=\sum\limits_{\nu=1}^{n}\dfrac{n}{n^2+\nu}\).
▼
Решение
Заменяме \(\nu\) с \(1\) (горна оценка) и с \(n\) (долна оценка):
\[\underbrace{\frac{n^2}{n^2+n}}_{a_n}\le b_n\le\underbrace{\frac{n^2}{n^2+1}}_{c_n}.\]
\(\lim a_n=\lim c_n=1\), следователно от Лемата за двамата полицаи \(\lim b_n=\mathbf{1}\).
19
Намерете \(\lim b_n\), където \(b_n=\sum\limits_{\nu=1}^{n}\sqrt[3]{\dfrac{n}{2n^4+\nu}}\).
▼
Решение
\[n\sqrt[3]{\frac{n}{2n^4+n}}\le b_n\le n\sqrt[3]{\frac{n}{2n^4+1}}.\]
И двете оценки клонят към \(\dfrac{1}{\sqrt[3]{2}}\) (проверка: \(n\cdot\dfrac{n^{1/3}}{(2n^4)^{1/3}}=\dfrac{n^{4/3}}{2^{1/3}n^{4/3}}=\dfrac{1}{\sqrt[3]{2}}\)). Следователно \(\lim b_n=\mathbf{\dfrac{1}{\sqrt[3]{2}}}\).
Основна граница за степени. За \(a\ge0\):
\[\lim_{n\to\infty}a^n=\begin{cases}+\infty, & a>1,\\ 1, & a=1,\\ 0, & 0\le a<1.\end{cases}\]
Решение
Изнасяме \(6^n\) (най-голямото): \(\lim\dfrac{2(1/3)^n-(1/2)^n+1}{8(1/3)^n+9(1/2)^n+6}=\dfrac{0-0+1}{0+0+6}=\mathbf{\dfrac{1}{6}}\).
2.3. Основна граница \(\lim\limits_{n\to\infty}\!\left(1+\dfrac{1}{n}\right)^n=e\)
Твърдение. Редицата \(a_n=\bigl(1+\tfrac{1}{n}\bigr)^n\) е растяща и ограничена. Нейната граница \(e\approx2{,}71828\ldots\) е основата на естествения логаритъм.
Теорема 2.1. Ако \(a_n\neq0\), \(a_n\neq-1\) и \(\lim|a_n|=\infty\), то \(\lim\bigl(1+\tfrac{1}{a_n}\bigr)^{a_n}=e\).
Следствие 2.1. За всяко \(k\in\mathbb{Z}\): \(\lim\limits_{n\to\infty}\bigl(1+\tfrac{k}{n}\bigr)^n=e^k\).
Решение
Записваме \(n=\dfrac{2n+3-3}{2}\):
\[\left(1-\frac{2}{2n+3}\right)^{\frac{2n+3}{2}}\cdot\left(1-\frac{2}{2n+3}\right)^{-3/2}\to(e^{-2})^{1/2}\cdot1=\mathbf{\frac{1}{e}}.\]
Решение
\[\frac{(1-3/n)(1-1/n)}{(1+1/n)(1+2/n)}\implies\lim\left[\cdots\right]^n=\frac{e^{-3}\cdot e^{-1}}{e^1\cdot e^2}=\mathbf{\frac{1}{e^7}}.\]
2.4. Доказване на граници по дефиниция
Схемата на доказателство по дефиниция (ε–N):
Подготовка: изчисляваме \(|a_n-a|\) и намираме \(N\) от условието \(|a_N-a|<\varepsilon\).
Доказателство: за дадено \(\varepsilon>0\) избираме \(N\) и доказваме верижната оценка \(|a_n-a|\le\cdots\le\cdots<\varepsilon\).
25
Докажете, че \(\lim\limits_{n\to\infty}\dfrac{1}{n}=0\).
▼
РешениеПодготовка: \(\bigl|\tfrac1n-0\bigr|=\tfrac1n<\varepsilon\Leftrightarrow N>\tfrac1\varepsilon\). Доказателство: Нека \(\varepsilon>0\). Избираме \(N>\tfrac1\varepsilon\). За всяко \(n\ge N\):
\[\left|\frac1n-0\right|=\frac1n\le\frac1N<\varepsilon.\]
Следователно \(\lim\dfrac1n=0\). \(\square\)
26
Докажете, че \(\lim\limits_{n\to\infty}\dfrac{2n-1}{3n+5}=\dfrac{2}{3}\).
▼
Решение
\[\left|\frac{2n-1}{3n+5}-\frac23\right|=\frac{13}{3(3n+5)}<\frac{13}{9n}<\frac{13}{n}.\]
Избираме \(N>\tfrac{13}{\varepsilon}\). За \(n\ge N\): \(\bigl|\cdots\bigr|<\tfrac{13}{n}\le\tfrac{13}{N}<\varepsilon\). \(\square\) Забележка: По-точна оценка дава \(N>\tfrac{13}{9\varepsilon}-\tfrac53\), при която \(N\) е по-малко (около 10 пъти по-малко), но доказателството е еквивалентно.
27
Докажете, че \(\lim\limits_{n\to\infty}\dfrac{4n^4-3n^3+5}{7n^4+5n^2-3}=\dfrac{4}{7}\).
▼
Решение
\[\left|\cdots-\frac47\right|=\frac{21n^3+20n^2-12}{7(7n^4+5n^2-3)}<\frac{21n^3+20n^3}{7\cdot7n^4}=\frac{41}{49n}<\frac{41}{7n}.\]
Избираме \(N>\tfrac{41}{7\varepsilon}\). За \(n\ge N\): оценката дава \(<\varepsilon\). \(\square\)
Самостоятелна работа
З 1Намерете първите 6 члена на \(a_n=\dfrac{n+2}{2n-3}\).
З 2Изследвайте дали \(a_n=\dfrac{5n-1}{7n+4}\) е растяща или намаляваща.
З 3Намерете формула за общия член: \(a_1=2\), \(a_2=5\), \(a_n=3a_{n-1}-2a_{n-2}\).
З 4Намерете \(\lim\limits_{n\to\infty}\dfrac{3n^3+2n-1}{5n^3-4n^2+7}\).
З 5Намерете \(\lim\limits_{n\to\infty}\bigl(\sqrt{n^2+2n}-n\bigr)\).
З 6Докажете по дефиниция, че \(\lim\limits_{n\to\infty}\dfrac{3n+1}{n+2}=3\).
З 7Намерете \(\lim\limits_{n\to\infty}\sum\limits_{k=1}^{n}\dfrac{1}{k(k+2)}\).
З 8Намерете \(\lim\limits_{n\to\infty}\!\left(1+\dfrac{3}{n}\right)^n\).
З 9Намерете \(\lim\limits_{n\to\infty}\dfrac{n^2+\sin n}{n^2+\cos n}\).
З 10Намерете \(\lim\limits_{n\to\infty}\!\left(\dfrac{n+3}{n-1}\right)^{2n}\).
Онлайн тест — Числови редици
15 въпроса × 4 т. = 60 т. | Оценки: ≥50→6, ≥40→5, ≥30→4, ≥15→3, иначе→2
Видео урок
Видео урок по тема „Числови редици. Граница на числова редица" предстои. Следете канала за нови публикации.
Използвана литература
В. Георгиев, А. Илчев. Ръководство за решаване на задачи по диференциално смятане на функция на една променлива с използване на Python. Университетско издателство „Паисий Хилендарски", Пловдив, 2024.
Б. Златанов. Математически анализ. Диференциално смятане на функция на една променлива с използване на алгебрични компютърни системи. Университетско издателство „Паисий Хилендарски", Пловдив, 2018.
С. Манолов, Н. Шополов, Л. Петрушев, К. Анастасова, П. Панайотов. Сборник задачи по висша математика — втора част. Държавно издателство „Техника", София, 1979.
В. А. Зорич. Математический анализ, том I. Наука, Москва, 1981.
W. Rudin. Principles of Mathematical Analysis. 3rd ed., McGraw-Hill, 1976.
Г. М. Фихтенгольц. Курс дифференциального и интегрального исчисления, том I. Наука, Москва, 1966.
Запишете урок
Индивидуални и групови онлайн уроци по математика за цялата страна
🎓 Подготовка за изпити
›НВО по математика след 7 клас
›НВО по математика след 10 клас
›Кандидатстудентски изпити по математика
›Прием в университети в чужбина (ISEE, SAT, A-Level)
📚 Текущо обучение и студенти
›Усвояване на текущия учебен материал (всички класове)
›Студенти: Мат. анализ, Линейна алгебра, Аналитична геометрия, Диф. уравнения, Теория на вероятностите, Статистика и др.
Ако този урок ви е бил полезен, можете да подкрепите създаването на нови безплатни материали.
📞 Онлайн уроци по математика за цялата страна◆гл.ас. д-р Атанас Илчев◆Индивидуални и групови уроци • Тел: 0883 375 433◆Подготовка за НВО, ДЗИ, кандидатстудентски изпити◆📞 Онлайн уроци по математика за цялата страна◆гл.ас. д-р Атанас Илчев◆Индивидуални и групови уроци • Тел: 0883 375 433◆Подготовка за НВО, ДЗИ, кандидатстудентски изпити◆
Теория на множествата – Определения, операции и задачи | Д-р Атанас Илчев 📞 Онлайн уроци по математика за цялата страна ◆ гл.ас. д-р Атанас Илчев ◆ Индивидуални и групови уроци • Тел: 0883 375 433 ◆ ISEE Upper Level • Подготовка за американски колеж ◆ 📞 Онлайн уроци по математика за цялата страна ◆ гл.ас. д-р Атанас Илчев ◆ Индивидуални и групови уроци • Тел: 0883 375 433 ◆ ISEE Upper Level • Подготовка за американски колеж ◆ Математика › Теория на множествата Теория на множествата Определения, операции и задачи Пълен урок с определения, аксиоми, операции с множества, доказателства и интерактивен тест Теория на множествата 4 разработени задачи 15 въпроса тест Д-р Атанас Илчев Множес...
Ъгли в триъгълник – Теореми, външни ъгли и задачи | 7 клас | Д-р Атанас Илчев 📞 Онлайн уроци по математика за цялата страна ◆ гл.ас. д-р Атанас Илчев ◆ Индивидуални и групови уроци • Тел: 0883 375 433 ◆ ISEE Upper Level • Подготовка за американски колеж ◆ 📞 Онлайн уроци по математика за цялата страна ◆ гл.ас. д-р Атанас Илчев ◆ Индивидуални и групови уроци • Тел: 0883 375 433 ◆ ISEE Upper Level • Подготовка за американски колеж ◆ Математика › 7 клас › Геометрия › Ъгли в триъгълник Ъгли в триъгълник Теореми, външни ъгли и задачи Пълен урок с теореми, доказателства, разработени задачи и интерактивен тест 7 клас 2 теореми с доказателства 3 разработени задачи 15 въпроса тест Д-р Атанас Илчев ...
Ъгли получени при пресичането на две прави – Кръстни, съответни, прилежащи | 7 клас | Д-р Атанас Илчев 📞 Онлайн уроци по математика за цялата страна ◆ гл.ас. д-р Атанас Илчев ◆ Индивидуални и групови уроци • Тел: 0883 375 433 ◆ ISEE Upper Level • Подготовка за американски колеж ◆ 📞 Онлайн уроци по математика за цялата страна ◆ гл.ас. д-р Атанас Илчев ◆ Индивидуални и групови уроци • Тел: 0883 375 433 ◆ ISEE Upper Level • Подготовка за американски колеж ◆ Математика › 7 клас › Геометрия › Ъгли получени при пресичането на две прави Ъгли получени при пресичането на две прави Кръстни, съответни и прилежащи ъгли Пълен урок с определения, теореми за успоредни прави, разработени задачи и интерактивен тест 7 клас 4 теореми...
Коментари
Публикуване на коментар