Mathematics · Buku 3 · Bachelor Year 1

Matematika Universitas — Tahun 1

Matematika Universitas — Tahun 1 · Bachelor Year 1

11Barisan

Barisan sudah dimanipulasi pada jilid Sekolah Menengah dengan gagasan limitnya yang diterima separuh atas kepercayaan. Di sini teorinya dibangun kembali di atas kelengkapan R\R (Bab 10): setiap teorema klasiknya — kekonvergenan monoton, barisan berdampingan, Bolzano–Weierstrass, kriteria Cauchy — merupakan wajah dari aksioma tunggal itu. Bab ini ditutup dengan telaah praktis atas barisan yang didefinisikan oleh un+1=f(un)u_{n+1} = f(u_n).

11.1 Kekonvergenan

Definisi 11.1 (Limit sebuah barisan)

Sebuah barisan (un)(u_n) berisi bilangan real konvergen ke ℓ∈R\ell \in \R bila

∀ε>0, ∃N∈N, ∀n≥N,∣un−ℓ∣≤ε.\forall \varepsilon > 0,\ \exists N \in \N,\ \forall n \geq N, \qquad \abs{u_n - \ell} \leq \varepsilon .

Kita menulis un→ℓu_n \to \ell atau lim⁡un=ℓ\lim u_n = \ell. Barisan yang tidak konvergen (ke bilangan real mana pun) disebut divergen. Adapun kedivergenan ke +∞+\infty: ∀M, ∃N, ∀n≥N, un≥M\forall M,\ \exists N,\ \forall n \geq N,\ u_n \geq M (serupa itu untuk −∞-\infty).

Contoh 11.2 (Sebuah bukti ε\varepsilon–NN, yang ditulis lengkap sekali)

Klaimnya: un=n2+12n2−3→12u_n = \dfrac{n^2 + 1}{2n^2 - 3} \to \dfrac12. Pertama-tama kucilkan galatnya:

∣un−12∣=∣2(n2+1)−(2n2−3)2(2n2−3)∣=52 ∣2n2−3∣=52 (2n2−3)(n≥2).\Bigl| u_n - \frac12 \Bigr| = \Bigl| \frac{2(n^2 + 1) - (2n^2 - 3)}{2(2n^2 - 3)} \Bigr| = \frac{5}{2\,\abs{2n^2 - 3}} = \frac{5}{2\,(2n^2 - 3)} \quad (n \geq 2).

Lalu dominasikan ia dengan sesuatu yang sederhana: untuk n≥2n \geq 2, 2n2−3≥n22n^2 - 3 \geq n^2, sehingga galatnya ≤52n2≤52n\leq \frac{5}{2n^2} \leq \frac 5{2n}. Diberikan ε>0\varepsilon > 0, sifat Archimedes memasok N≥max⁡(2,52ε)N \geq \max\bigl(2, \frac{5}{2\varepsilon}\bigr); lalu untuk n≥Nn \geq N galatnya ≤ε\leq \varepsilon. Selesai. Inti gagasan penutupnya: bahwa sebuah bukti ε\varepsilon–NN mempunyai tepat tiga gerakan — menghitung galatnya, membatasinya dengan ungkapan elementer yang menurun, lalu memecahkan ambangnya — dan setelah teorema pada bab ini (operasi, apitan) orang hampir tak pernah menulis bukti semacam itu lagi: karena teoremanya mengemas ketiga gerakan itu sekali untuk selamanya.

Contoh 11.3 (Kedivergenan ke tak hingga, yang bersertifikat)

Klaimnya: un=n2−100n→+∞u_n = n^2 - 100n \to +\infty. Faktorkan suku dominannya: un=n2(1−100n)≥n22u_n = n^2\bigl(1 - \frac{100}{n}\bigr) \geq \frac{n^2}{2} untuk n≥200n \geq 200. Diberikan MM, ambillah N=max⁡(200,⌈2M⌉)N = \max\bigl(200, \lceil\sqrt{2M}\rceil\bigr): maka untuk n≥Nn \geq N, un≥n22≥Mu_n \geq \frac{n^2}{2} \geq M. Dua kebiasaan terpampang di sini: pemfaktoran suku dominan mengubah sebuah persaingan (n2n^2 melawan −100n-100n) menjadi satu skala dikalikan faktor yang menuju 11; sedangkan ambangnya boleh saja raksasa (karena u100=0u_{100} = 0, dan barisannya bahkan negatif sebelum n=100n = 100) — jadi kedivergenan ke +∞+\infty adalah pernyataan tentang ekornya, yang acuh tak acuh terhadap sebanyak apa pun kelakuan buruk yang berhingga.

Proposisi 11.4 (Sifat yang pertama)

  1. Limitnya, bila ada, bersifat tunggal.
  2. Barisan yang konvergen bersifat terbatas.
  3. Jika un→ℓu_n \to \ell, maka setiap perubahan atas suku yang berhingga banyak membiarkan kekonvergenan dan limitnya tak berubah.

Bukti. (1) Jika un→ℓu_n \to \ell dan un→ℓ′u_n \to \ell' dengan ℓ≠ℓ′\ell \neq \ell', ambillah ε=∣ℓ−ℓ′∣3\varepsilon = \frac{\abs{\ell - \ell'}}{3}: maka di luar kedua ambangnya, ∣ℓ−ℓ′∣≤∣ℓ−un∣+∣un−ℓ′∣≤2ε=23∣ℓ−ℓ′∣\abs{\ell - \ell'} \leq \abs{\ell - u_n} + \abs{u_n - \ell'} \leq 2\varepsilon = \frac23 \abs{\ell - \ell'}, yang mustahil.

(2) Dengan ε=1\varepsilon = 1: di luar NN, ∣un∣≤∣ℓ∣+1\abs{u_n} \leq \abs\ell + 1; sedangkan suku sebelumnya yang berhingga banyak juga terbatas, sehingga ∣un∣≤max⁡(∣u0∣,…,∣uN−1∣,∣ℓ∣+1)\abs{u_n} \leq \max(\abs{u_0}, \dots, \abs{u_{N-1}}, \abs\ell + 1).

(3) Secara terperinci: andaikan vn=unv_n = u_n untuk n≥n0n \geq n_0 dan un→ℓu_n \to \ell. Diberikan ε>0\varepsilon > 0, ambillah ambang NN bagi (un)(u_n): maka untuk n≥max⁡(N,n0)n \geq \max(N, n_0), ∣vn−ℓ∣=∣un−ℓ∣≤ε\abs{v_n - \ell} = \abs{u_n - \ell} \leq \varepsilon. Jadi vn→ℓv_n \to \ell: karena definisinya mengkuantifikasi n≥Nn \geq N saja, dan sebarang awalan yang hingga boleh ditimpa dengan ongkos memperbesar ambangnya. (Inilah sebabnya hipotesis “untuk setiap nn yang besar” mencukupi di mana-mana dalam bab ini.) ∎

Teorema 11.5 (Operasi atas limit)

Jika un→ℓu_n \to \ell dan vn→mv_n \to m, maka

un+vn→ℓ+m,unvn→ℓm,unvn→ℓm (jika m≠0),∣un∣→∣ℓ∣.u_n + v_n \to \ell + m, \qquad u_n v_n \to \ell m, \qquad \frac{u_n}{v_n} \to \frac{\ell}{m} \ (\text{jika } m \neq 0), \qquad \abs{u_n} \to \abs\ell .

Bukti. Jumlah: ∣(un+vn)−(ℓ+m)∣≤∣un−ℓ∣+∣vn−m∣≤2ε\abs{(u_n + v_n) - (\ell + m)} \leq \abs{u_n - \ell} + \abs{v_n - m} \leq 2\varepsilon di luar ambang yang lebih besar. Hasil kali: tulislah

unvn−ℓm=(un−ℓ) vn+ℓ (vn−m);u_n v_n - \ell m = (u_n - \ell)\,v_n + \ell\,(v_n - m);

(vn)(v_n) terbatas oleh suatu BB (Proposisi 11.4), sehingga ruas kanannya ≤B∣un−ℓ∣+∣ℓ∣ ∣vn−m∣\leq B\abs{u_n - \ell} + \abs{\ell}\,\abs{v_n - m}, yang sekecil-kecilnya. Hasil bagi: cukuplah menangani 1vn\frac 1{v_n}. Dengan ε=∣m∣2\varepsilon = \frac{\abs m}{2}: di luar suatu N0N_0, ∣vn∣≥∣m∣2\abs{v_n} \geq \frac{\abs m}{2}, sehingga

∣1vn−1m∣=∣m−vn∣∣vnm∣≤2m2 ∣vn−m∣⟶0.\Bigl| \frac{1}{v_n} - \frac 1m \Bigr| = \frac{\abs{m - v_n}}{\abs{v_n m}} \leq \frac{2}{m^2}\,\abs{v_n - m} \longrightarrow 0 .

Nilai mutlak: ∣∣un∣−∣ℓ∣∣≤∣un−ℓ∣\bigl|\abs{u_n} - \abs\ell\bigr| \leq \abs{u_n - \ell} (yaitu ketaksamaan segitiga terbalik, Proposisi 3.2). ∎

Contoh 11.6 (Operasi ditambah satu muslihat aljabar)

Hitunglah lim⁡ (n2+n−n)\lim\,\bigl(\sqrt{n^2 + n} - n\bigr). Kedua bagiannya secara terpisah menuju +∞+\infty: sehingga teorema operasinya tak mengatakan apa pun tentang selisihnya (yaitu sebuah bentuk tak tentu). Kalikanlah dengan sekawannya:

n2+n−n=(n2+n)−n2n2+n+n=nn2+n+n=11+1n+1.\sqrt{n^2 + n} - n = \frac{(n^2 + n) - n^2}{\sqrt{n^2 + n} + n} = \frac{n}{\sqrt{n^2+n} + n} = \frac{1}{\sqrt{1 + \frac1n} + 1} .

Sekarang semuanya konvergen: 1+1n→1\sqrt{1 + \frac1n} \to 1, karena 0≤1+h−1=h1+h+1≤h0 \leq \sqrt{1 + h} - 1 = \frac{h}{\sqrt{1+h} + 1} \leq h (dengan sekawan lagi, lalu apitan dengan h=1nh = \frac1n); lalu teorema operasinya memberikan limit 11+1=12\frac{1}{1 + 1} = \frac12. Inti gagasan penutupnya: bahwa teorema operasi bukanlah kalkulator bagi semua limit — karena bentuk tak tentu (∞−∞\infty - \infty, 00\frac00, 0×∞0 \times \infty, 1∞1^\infty) harus lebih dulu diubah lewat aljabar (sekawan, pemfaktoran suku dominan) sampai setiap bagiannya konvergen; adapun mesin sistematis bagi kasus yang membandel adalah ekspansi asimtotik pada Bab 16.

Teorema 11.7 (Limit dan urutan)

  1. Jika un≤vnu_n \leq v_n untuk setiap nn yang besar, dan keduanya konvergen, maka lim⁡un≤lim⁡vn\lim u_n \leq \lim v_n. (Adapun ketaksamaan tegas tak diteruskan ke limitnya: karena 1n>0\frac 1n > 0 tetapi lim⁡=0\lim = 0.)
  2. (Teorema apit) Jika un≤wn≤vnu_n \leq w_n \leq v_n untuk setiap nn yang besar dan un,vn→ℓu_n, v_n \to \ell, maka wn→ℓw_n \to \ell.
  3. Jika un→ℓ>0u_n \to \ell > 0, maka un>ℓ2>0u_n > \frac\ell2 > 0 untuk setiap nn yang besar.

Bukti. (1) Andaikan ℓ=lim⁡un>m=lim⁡vn\ell = \lim u_n > m = \lim v_n; maka dengan ε=ℓ−m3\varepsilon = \frac{\ell - m}{3}, suku yang besar memenuhi vn≤m+ε<ℓ−ε≤unv_n \leq m + \varepsilon < \ell - \varepsilon \leq u_n, yang bertentangan dengan un≤vnu_n \leq v_n.

(2) Di luar ambangnya: ℓ−ε≤un≤wn≤vn≤ℓ+ε\ell - \varepsilon \leq u_n \leq w_n \leq v_n \leq \ell + \varepsilon.

(3) merupakan Definisi 11.1 dengan ε=ℓ2\varepsilon = \frac\ell2. ∎

Contoh 11.8 (Dua apitan)

(i) sin⁡nn→0\dfrac{\sin n}{n} \to 0: karena dari −1n≤sin⁡nn≤1n-\frac1n \leq \frac{\sin n}{n} \leq \frac1n, kedua dindingnya runtuh ke 00 — jadi tak perlu memahami pembilangnya yang tak beraturan itu sama sekali. (ii) Adapun (2n+3n)1/n→3(2^n + 3^n)^{1/n} \to 3: apitlah bagian dalamnya,

3n≤2n+3n≤2⋅3n⟹3≤(2n+3n)1/n≤3⋅21/n,3^n \leq 2^n + 3^n \leq 2\cdot3^n \quad\Longrightarrow\quad 3 \leq (2^n + 3^n)^{1/n} \leq 3\cdot 2^{1/n} ,

dan 21/n=eln⁡2n→12^{1/n} = \eu^{\frac{\ln 2}{n}} \to 1 (seperti untuk 51/n5^{1/n} pada Latihan 11.2): sehingga apitannya menghasilkan 33. Inti gagasan penutupnya: bahwa jumlah eksponensial yang bersaing berperilaku seperti suku yang terbesar — karena yang lebih kecil terserap oleh sebuah faktor konstanta yang tak berbahaya, yang lalu dihapus oleh akar pangkat nn-nya.

11.2 Barisan monoton

Teorema 11.9 (Teorema limit monoton)

Barisan naik yang terbatas di atas bersifat konvergen, ke sup⁡{un:n∈N}\sup\{u_n : n \in \N\}; sedangkan barisan naik yang tak terbatas di atas divergen ke +∞+\infty. (Ada pernyataan cerminnya untuk barisan turun.)

Bukti. Misalkan s=sup⁡{un}s = \sup\{u_n\} (Teorema 10.2). Diberikan ε>0\varepsilon > 0, pencirian lewat ε\varepsilon (Proposisi 10.4) menghasilkan NN dengan uN>s−εu_N > s - \varepsilon; lalu menurut kemonotonannya, s−ε<uN≤un≤ss - \varepsilon < u_N \leq u_n \leq s untuk setiap n≥Nn \geq N: jadi konvergen ke ss. Jika tak terbatas: untuk setiap MM ada uN>Mu_N > M, dan kemonotonannya menjaga semua suku berikutnya di atas MM. ∎

Contoh 11.10 (Teorema monoton sebagai mesin keberadaan)

Misalkan un=∏k=1n(1+12k)u_n = \prod_{k=1}^{n} \bigl(1 + \frac{1}{2^k}\bigr). Setiap faktornya melampaui 11, sehingga (un)(u_n) naik. Terbatas di atas? Ambillah logaritmanya lalu pakai ln⁡(1+x)≤x\ln(1 + x) \leq x (yang didahului Contoh 14.20; atau 1+x≤ex1 + x \leq \eu^x yang kasar dari jilid Sekolah Menengah):

ln⁡un=∑k=1nln⁡(1+12k)≤∑k=1n12k<1,\ln u_n = \sum_{k=1}^{n} \ln\Bigl(1 + \frac{1}{2^k}\Bigr) \leq \sum_{k=1}^{n} \frac{1}{2^k} < 1 ,

sehingga un<eu_n < \eu. Naik dan terbatas: jadi (un)(u_n) konvergen ke suatu ℓ∈(u1, e]\ell \in \intoc{u_1}{\eu} — yaitu bilangan real yang terdefinisi dengan sempurna tanpa bentuk tertutup yang terlihat (ℓ=2.384…\ell = 2.384\dots). Inti gagasan penutupnya: bahwa teorema limit monoton merupakan mesin keberadaan yang paling murah dalam analisis; ia menamai e\eu sendiri (Contoh 11.12 di bawah), dan pada Bab 17 ia akan memutuskan kekonvergenan setiap deret positif lewat keterbatasan belaka.

Teorema 11.11 (Barisan berdampingan)

Misalkan (an)(a_n) naik dan (bn)(b_n) turun, dengan bn−an→0b_n - a_n \to 0. Maka keduanya konvergen, ke limit ℓ\ell yang sama, dan an≤ℓ≤bna_n \leq \ell \leq b_n untuk setiap nn.

Bukti. Pertama, an≤bna_n \leq b_n untuk setiap nn: karena barisan (bn−an)(b_n - a_n) turun dan menuju 00, sehingga ia ≥0\geq 0 (sebab suku yang negatif akan membekukannya di bawah 00). Lalu (an)(a_n) naik dan terbatas di atas oleh b0b_0: sehingga ia konvergen ke suatu ℓ\ell (Teorema 11.9); demikian pula (bn)→ℓ′(b_n) \to \ell'; dan ℓ′−ℓ=lim⁡(bn−an)=0\ell' - \ell = \lim (b_n - a_n) = 0. Adapun ketaksamaan an≤ℓ≤bna_n \leq \ell \leq b_n menyusul dari kemonotonannya (yaitu ℓ=sup⁡ak≥an\ell = \sup a_k \geq a_n, dan seterusnya). ∎

Barisan berdampingan: di sini (a_n) mendaki, (b_n) menurun, dan celah di antaranya menyusut ke 0. Setiap selang [a_n, b_n] memuat semua selang berikutnya, dan limit bersamanya  adalah satu-satunya titik yang tersisa pada setiap selang — yaitu gambaran di balik bukti dikotomi Bolzano–Weierstrass di bawah dan bukti teorema nilai antara pada .
Barisan berdampingan: di sini (an)(a_n) mendaki, (bn)(b_n) menurun, dan celah di antaranya menyusut ke 00. Setiap selang [an, bn]\intcc{a_n}{b_n} memuat semua selang berikutnya, dan limit bersamanya ℓ\ell adalah satu-satunya titik yang tersisa pada setiap selang — yaitu gambaran di balik bukti dikotomi Bolzano–Weierstrass di bawah dan bukti teorema nilai antara pada Bab 13.

Contoh 11.12 (Bilangan e\eu)

Tetapkan an=∑k=0n1k!a_n = \sum_{k=0}^{n} \frac{1}{k!} dan bn=an+1n⋅n!b_n = a_n + \frac{1}{n \cdot n!} (dengan n≥1n \geq 1). Maka (an)(a_n) naik; dan

bn+1−bn=1(n+1)!+1(n+1)(n+1)!−1n n!=n(n+1)+n−(n+1)2n(n+1)(n+1)!=−1n(n+1)(n+1)!<0,b_{n+1} - b_n = \frac{1}{(n+1)!} + \frac{1}{(n+1)(n+1)!} - \frac{1}{n\,n!} = \frac{n(n+1) + n - (n+1)^2}{n(n+1)(n+1)!} = \frac{-1}{n(n+1)(n+1)!} < 0 ,

sehingga (bn)(b_n) turun, dan bn−an→0b_n - a_n \to 0: jadi berdampingan. Limit bersamanya adalah (menurut definisi di sini) bilangan e≈2.71828\eu \approx 2.71828; dan ketaksamaan an<e<bna_n < \eu < b_n cukup tajam untuk membuktikan e∉Q\eu \notin \Q (Latihan 11.9).

11.3 Subbarisan dan Bolzano–Weierstrass

Definisi 11.13 (Subbarisan)

Sebuah subbarisan dari (un)(u_n) adalah barisan (uφ(n))(u_{\varphi(n)}) dengan φ ⁣:N→N\varphi \colon \N \to \N yang naik tegas (perhatikan φ(n)≥n\varphi(n) \geq n, lewat induksi).

Proposisi 11.14

Jika un→ℓu_n \to \ell (dengan ℓ∈R\ell \in \R atau ±∞\pm\infty), maka setiap subbarisannya menuju ℓ\ell. Akibatnya, barisan yang mempunyai dua subbarisan dengan limit yang berbeda bersifat divergen. Sebaliknya, jika (u2n)(u_{2n}) dan (u2n+1)(u_{2n+1}) sama-sama konvergen ke ℓ\ell yang sama, maka un→ℓu_n \to \ell.

Bukti. Di luar ambang NN bagi (un)(u_n), semua indeks φ(n)≥n≥N\varphi(n) \geq n \geq N memenuhi syaratnya (adapun ketaksamaan φ(n)≥n\varphi(n) \geq n merupakan induksi yang dicatat pada Definisi 11.13: φ(0)≥0\varphi(0) \geq 0, dan φ(n+1)>φ(n)≥n\varphi(n+1) > \varphi(n) \geq n memaksa φ(n+1)≥n+1\varphi(n+1) \geq n + 1). Untuk konversnya: diberikan ε\varepsilon, ambillah kedua ambangnya N0N_0 (yang genap) dan N1N_1 (yang ganjil); maka sebarang indeks n≥max⁡(2N0,2N1+1)n \geq \max(2N_0, 2N_1 + 1) entah genap, n=2kn = 2k dengan k≥N0k \geq N_0, entah ganjil, n=2k+1n = 2k+1 dengan k≥N1k \geq N_1 — dan pada kedua kasusnya ∣un−ℓ∣≤ε\abs{u_n - \ell} \leq \varepsilon: jadi setiap indeksnya tertutupi oleh salah satu dari kedua subbarisan itu, dan itulah seluruh intinya. ∎

Contoh 11.15 (Limit subbarisan)

Untuk un=(−1)nnn+1u_n = (-1)^n \frac{n}{n+1}: subbarisan genapnya menuju 11, sedangkan yang ganjil ke −1-1, sehingga barisannya divergen — tetapi ia berbuat demikian secara tertata, dengan menggerombol di sekitar kedua nilai ±1\pm 1. Untuk un=cos⁡2πn3u_n = \cos\frac{2\pi n}{3}: ketiga subbarisan berindeks 3k3k, 3k+13k + 1, 3k+23k + 2 bersifat konstan, yang bernilai 11, −12-\frac12, −12-\frac12; jadi himpunan limit subbarisannya adalah {1,−12}\{1, -\frac12\}. Inti gagasan penutupnya: bahwa barisan yang terbatas konvergen tepat ketika ia hanya mempunyai satu limit subbarisan (Latihan 11.8); jadi kedivergenan barisan yang terbatas selalu berarti sekurang-kurangnya dua gerombolan, dan Bolzano–Weierstrass di bawah menjamin bahwa ada sekurang-kurangnya satu.

Teorema 11.16 (Bolzano–Weierstrass)

Setiap barisan bilangan real yang terbatas mempunyai subbarisan yang konvergen.

Bukti. Misalkan un∈[a, b]u_n \in \intcc{a}{b} untuk setiap nn. Bangunlah ruas yang bersarang lewat dikotomi: tetapkan [a0, b0]=[a, b]\intcc{a_0}{b_0} = \intcc{a}{b}; lalu diberikan [ak, bk]\intcc{a_k}{b_k} yang memuat unu_n untuk tak hingga banyak nn, salah satu dari kedua paruhnya masih memuat unu_n untuk tak hingga banyak nn — namailah ia [ak+1, bk+1]\intcc{a_{k+1}}{b_{k+1}}. Barisan (ak)(a_k) dan (bk)(b_k) itu berdampingan (karena bk−ak=b−a2k→0b_k - a_k = \frac{b-a}{2^k} \to 0), dengan limit bersama ℓ\ell (Teorema 11.11).

Ekstraksinya: pilihlah φ(0)\varphi(0) dengan uφ(0)∈[a0, b0]u_{\varphi(0)} \in \intcc{a_0}{b_0}, lalu, secara induktif, φ(k+1)>φ(k)\varphi(k+1) > \varphi(k) dengan uφ(k+1)∈[ak+1, bk+1]u_{\varphi(k+1)} \in \intcc{a_{k+1}}{b_{k+1}} — yang mungkin karena ruas itu memuat tak hingga banyak sukunya. Maka ak≤uφ(k)≤bka_k \leq u_{\varphi(k)} \leq b_k, dan teorema apitnya memberikan uφ(k)→ℓu_{\varphi(k)} \to \ell. ∎

Catatan 11.17 (Yang dikatakan Bolzano–Weierstrass, dan yang tidak)

Ia memang mengatakan: bahwa dari keterbatasan belaka, suatu subbarisan konvergen — yaitu keberadaan tanpa rumus, sebagaimana dijelaskan bukti dikotominya (karena tak ada yang memberitahu kita indeks mana yang bertahan). Ia tak mengatakan bahwa limitnya tunggal: karena ((−1)n)((-1)^n) mempunyai subbarisan yang konvergen ke 11 dan ke −1-1, dan himpunan limit subbarisannya bahkan boleh tak hingga (Contoh 11.15, beserta seluruh himpunan Cantor pada Soal 12.1). Ia tak bertahan pada ketakterbatasan: karena (n)(n) sama sekali tak mempunyai subbarisan yang konvergen — meskipun kita selalu dapat mengekstrak subbarisan yang menuju +∞+\infty atau −∞-\infty dari sebarang barisan yang tak terbatas (misalnya dengan memilih φ(k)\varphi(k) dengan uφ(k)≥ku_{\varphi(k)} \geq k). Bila dipakai dengan benar, teoremanya menjadi sebuah pompa keberadaan: ia muncul pada titik genting kriteria Cauchy di bawah, pada teorema Heine, dan pada teorema nilai ekstrem — selalu untuk menghasilkan sebuah titik yang tak disodorkan konstruksi eksplisit mana pun.

11.4 Barisan Cauchy dan kelengkapan

Definisi 11.18

Sebuah barisan (un)(u_n) disebut barisan Cauchy bila sukunya menjadi sedekat-dekatnya satu sama lain:

∀ε>0, ∃N, ∀p,q≥N,∣up−uq∣≤ε.\forall \varepsilon > 0,\ \exists N,\ \forall p, q \geq N, \qquad \abs{u_p - u_q} \leq \varepsilon .

Contoh 11.19 (Memeriksa sifat Cauchy dengan tangan)

Misalkan un=∑k=0ncos⁡k2ku_n = \sum_{k=0}^{n} \frac{\cos k}{2^k} — tanpa kemonotonan, tanpa limit yang dapat ditebak. Untuk p>qp > q:

∣up−uq∣=∣∑k=q+1pcos⁡k2k∣≤∑k=q+1p12k<12q,\abs{u_p - u_q} = \Bigl| \sum_{k=q+1}^{p} \frac{\cos k}{2^k} \Bigr| \leq \sum_{k=q+1}^{p} \frac{1}{2^k} < \frac{1}{2^{q}} ,

menurut ketaksamaan segitiga, ∣cos⁡k∣≤1\abs{\cos k} \leq 1 dan jumlah geometri yang hingga. Diberikan ε>0\varepsilon > 0, pilihlah NN dengan 2−N≤ε2^{-N} \leq \varepsilon: maka semua celah di luar NN bernilai ≤ε\leq \varepsilon, sehingga barisannya Cauchy, jadi konvergen — ke limit yang tak seorang pun dapat menamainya dalam bentuk tertutup, dan itu justru intinya. Inti gagasan penutupnya: bahwa dominasi geometri atas pertambahannya yang menjadi cara baku untuk memperoleh sifat Cauchy, dan Bab 17 akan membotolkan argumen itu sebagai “kekonvergenan mutlak mengakibatkan kekonvergenan”.

Teorema 11.20 (Kelengkapan R\R)

Barisan bilangan real konvergen jika dan hanya jika ia barisan Cauchy.

Bukti. (⇒\Rightarrow) Jika un→ℓu_n \to \ell: maka di luar ambang bagi ε2\frac\varepsilon2, ∣up−uq∣≤∣up−ℓ∣+∣ℓ−uq∣≤ε\abs{u_p - u_q} \leq \abs{u_p - \ell} + \abs{\ell - u_q} \leq \varepsilon.

(⇐\Leftarrow) Misalkan (un)(u_n) Cauchy. Ia terbatas: karena dengan ε=1\varepsilon = 1, di luar NN semua sukunya terletak sejauh 11 dari uNu_N, dan kepalanya berhingga. Ekstraksinya: menurut Teorema 11.16, suatu subbarisan uφ(n)→ℓu_{\varphi(n)} \to \ell. Kesimpulannya: diberikan ε>0\varepsilon > 0, ambillah NN (dari Cauchy, untuk ε2\frac\varepsilon2) dan n≥Nn \geq N dengan ∣uφ(n)−ℓ∣≤ε2\abs{u_{\varphi(n)} - \ell} \leq \frac\varepsilon2 dan φ(n)≥N\varphi(n) \geq N; maka untuk setiap p≥Np \geq N:

∣up−ℓ∣≤∣up−uφ(n)∣+∣uφ(n)−ℓ∣≤ε.\abs{u_p - \ell} \leq \abs{u_p - u_{\varphi(n)}} + \abs{u_{\varphi(n)} - \ell} \leq \varepsilon . \qedhere

∎

Catatan 11.21

Nilai kriterianya: bahwa ia mengesahkan kekonvergenan tanpa menamai limitnya. Ia gagal di atas Q\Q (karena pemenggalan desimal 2\sqrt 2 membentuk barisan Cauchy berisi bilangan rasional tanpa limit yang rasional): jadi kelengkapan merupakan sifat R\R, yang setara dengan aksioma batas atas. Ia juga kuda beban di balik kekonvergenan deret (Bab 17).

Contoh 11.22 (Barisan Cauchy yang limitnya tak kasatmata)

Misalkan Sn=∑k=1n1k2S_n = \sum_{k=1}^{n} \frac{1}{k^2}. Untuk p>q≥1p > q \geq 1:

Sp−Sq=∑k=q+1p1k2≤∑k=q+1p1k(k−1)=∑k=q+1p(1k−1−1k)=1q−1p<1q,S_p - S_q = \sum_{k=q+1}^{p} \frac{1}{k^2} \leq \sum_{k=q+1}^{p} \frac{1}{k(k-1)} = \sum_{k=q+1}^{p} \Bigl(\frac{1}{k-1} - \frac 1k\Bigr) = \frac 1q - \frac 1p < \frac 1q ,

sehingga di luar N>1εN > \frac1\varepsilon semua celahnya ≤ε\leq \varepsilon: jadi (Sn)(S_n) Cauchy, sehingga konvergen. Perhatikan apa yang baru saja terjadi: kita membuktikan bahwa sebuah bilangan real tertentu ada tanpa mempunyai nama apa pun untuknya. (Ia π26\frac{\pi^2}{6} — yaitu kesamaan Euler yang termasyhur, yang dibuktikan pada jilid Tahun ke-2; dan tak ada apa pun dalam bab ini yang dapat memberitahu kita hal itu.) Pembagian kerja inilah — keberadaan sekarang, pengenalan belakangan, kalau pun pernah — yang menjadi seluruh inti kriteria Cauchy, dan mesin teori deret pada Bab 17.

11.5 Barisan rekuren

Metode 11.23 (Menelaah un+1=f(un)u_{n+1} = f(u_n))

Diberikan ff dan titik awal u0u_0:

  1. Selang yang stabil: carilah selang II dengan f(I)⊆If(I) \subseteq I yang memuat u0u_0: maka semua un∈Iu_n \in I (lewat induksi).
  2. Calon limitnya: jika un→ℓ∈Iu_n \to \ell \in I dan ff kontinu di ℓ\ell (Bab 13), maka ℓ\ell merupakan titik tetap: f(ℓ)=ℓf(\ell) = \ell. Pecahkanlah f(x)=xf(x) = x.
  3. Kemonotonannya: jika ff naik pada II, maka (un)(u_n) monoton (naik bila u1≥u0u_1 \geq u_0, dan turun bila tidak); lalu digabung dengan keterbatasan, Teorema 11.9 menyimpulkannya. Jika ff turun, telaahlah kedua subbarisan (u2n)(u_{2n}) dan (u2n+1)(u_{2n+1}), yang monoton bagi f∘ff \circ f.
  4. Kendali galatnya: sebuah ketaksamaan ∣f(x)−ℓ∣≤k∣x−ℓ∣\abs{f(x) - \ell} \leq k\abs{x - \ell} dengan k<1k < 1 memberikan ∣un−ℓ∣≤kn∣u0−ℓ∣→0\abs{u_n - \ell} \leq k^n \abs{u_0 - \ell} \to 0 secara langsung.

Contoh 11.24 (Metode Heron)

Misalkan u0=2u_0 = 2 dan un+1=12(un+2un)u_{n+1} = \dfrac12\Bigl(u_n + \dfrac{2}{u_n}\Bigr): yaitu algoritma purba bagi 2\sqrt 2.

  • Kestabilannya: untuk x>0x > 0, ketaksamaan rata-rata aritmetika–geometri memberikan 12(x+2x)≥x⋅2x=2\frac12(x + \frac2x) \geq \sqrt{x \cdot \frac 2x} = \sqrt 2; sehingga I=[2, +∞)I = \intco{\sqrt 2}{+\infty} stabil dan memuat u1u_1 (memang u1=32≥2u_1 = \frac32 \geq \sqrt 2).
  • Kemonotonannya: untuk x≥2x \geq \sqrt 2,   x−f(x)=x2−22x≥0\;x - f(x) = \frac{x^2 - 2}{2x} \geq 0: sehingga barisannya turun mulai u1u_1, dan terbatas di bawah oleh 2\sqrt 2: jadi ia konvergen.
  • Limitnya: titik tetapnya memecahkan x=12(x+2x)x = \frac12(x + \frac2x), yakni x2=2x^2 = 2: jadi pada II, ℓ=2\ell = \sqrt 2.
  • Kecepatannya: un+1−2=(un−2)22un≤(un−2)222u_{n+1} - \sqrt 2 = \frac{(u_n - \sqrt2)^2}{2u_n} \leq \frac{(u_n - \sqrt 2)^2}{2\sqrt 2}: sehingga banyaknya angka yang benar kira-kira berlipat dua pada setiap langkahnya (yaitu kekonvergenan kuadratik).
Iterasi Heron u_n+1 = 1/2 (u_n + 2/u_n ), yang digambar sebagai tangga di antara grafik f dan diagonal y = x: dari u_0 = 2, iterasinya meluncur turun ke titik tetap √ 2.
Iterasi Heron un+1=12(un+2un)u_{n+1} = \frac12\bigl(u_n + \frac{2}{u_n}\bigr), yang digambar sebagai tangga di antara grafik ff dan diagonal y=xy = x: dari u0=2u_0 = 2, iterasinya meluncur turun ke titik tetap 2\sqrt 2.

Catatan 11.25 (Jebakan yang lazim dengan limit)

Empat yang klasik. (i) Langkah yang kecil tak mengakibatkan kekonvergenan: karena un+1−un→0u_{n+1} - u_n \to 0 jauh lebih lemah daripada sifat Cauchy — jumlah harmonik HnH_n berlangkah 1n+1→0\frac{1}{n+1} \to 0 namun divergen ke +∞+\infty (Latihan 11.5); sebab syarat Cauchy mengendalikan ∣up−uq∣\abs{u_p - u_q} bagi semua pasangan yang besar, bukan yang berurutan. (ii) Ketaksamaan tegas mati pada limitnya: dari un<vnu_n < v_n untuk setiap nn kita hanya memperoleh lim⁡un≤lim⁡vn\lim u_n \leq \lim v_n (Teorema 11.7); karena 1n>0\frac1n > 0 namun lim⁡=0\lim = 0. (iii) Terbatas bukan berarti konvergen: karena ((−1)n)((-1)^n) terbatas dan divergen; jadi keterbatasan ditambah kemonotonan menghasilkan kekonvergenan, sedangkan keterbatasan belaka hanya menjamin subbarisan yang konvergen (Teorema 11.16). (iv) Persamaan titik tetap datang kedua, bukan pertama: karena untuk un+1=f(un)u_{n+1} = f(u_n), memecahkan f(ℓ)=ℓf(\ell) = \ell mengenali limitnya hanya setelah kekonvergenannya terbukti. Rekurensi un+1=2unu_{n+1} = 2u_n mempunyai titik tetap tunggal ℓ=0\ell = 0, namun dari u0=1u_0 = 1 barisannya melesat ke +∞+\infty: jadi persamaan ℓ=2ℓ\ell = 2\ell tak pernah berhak atas sebuah limit. Urutan pengerjaannya, selalu: keberadaan dulu (Metode 11.23, langkah 1–3), lalu pengenalan kedua.

Contoh 11.26 (Sebuah ff yang turun: rekurensi emas)

Misalkan u0=1u_0 = 1 dan un+1=11+unu_{n+1} = \dfrac{1}{1 + u_n}. Di sini f(x)=11+xf(x) = \frac{1}{1+x} bersifat turun, sehingga barisannya tak monoton (ia berselang-seling di sekitar limitnya); jadi langkah kontraksi pada Metode 11.23 yang menjadi perkakas yang tepat. Kestabilannya: jika x∈[12, 1]x \in \intcc{\frac12}{1} maka 1+x∈[32, 2]1 + x \in \intcc{\frac32}{2}, sehingga f(x)∈[12, 23]⊆[12, 1]f(x) \in \intcc{\frac12}{\frac23} \subseteq \intcc{\frac12}{1}, dan u1=12u_1 = \frac12 menaruh seluruh barisannya di sana. Titik tetapnya: ℓ=11+ℓ\ell = \frac{1}{1+\ell} dengan ℓ>0\ell > 0 memberikan ℓ2+ℓ−1=0\ell^2 + \ell - 1 = 0, yakni

ℓ=5−12=0.6180…\ell = \frac{\sqrt5 - 1}{2} = 0.6180\dots

(yaitu invers rasio emas). Kontraksinya: untuk x,y∈[12, 1]x, y \in \intcc{\frac12}{1},

∣f(x)−f(y)∣=∣x−y∣(1+x)(1+y)≤∣x−y∣(3/2)2=49 ∣x−y∣,\abs{f(x) - f(y)} = \frac{\abs{x - y}}{(1+x)(1+y)} \leq \frac{\abs{x-y}}{(3/2)^2} = \frac49\,\abs{x - y} ,

sehingga ∣un−ℓ∣≤(49)n−1∣u1−ℓ∣→0\abs{u_n - \ell} \leq \bigl(\frac49\bigr)^{n-1}\abs{u_1 - \ell} \to 0: jadi konvergen, dengan kecepatan geometri, tanpa memerlukan kemonotonan. Inti gagasan penutupnya: bahwa metode monoton dan metode kontraksi membagi dunia rekuren di antara keduanya — karena ff yang naik memberikan orbit yang monoton, sedangkan ff yang turun memberikan orbit berselang-seling yang dijinakkan oleh konstanta Lipschitz <1< 1 (adapun teori sistematisnya adalah Latihan 14.11).

Catatan 11.27 (Cakrawala di dalam jilid ini)

Barisan adalah alat ukur yang ditodongkan sisa jilid ini kepada setiap objek. Pada Bab 12 ia mencirikan ketertutupan dan kekompakan; pada Bab 13 ia mengangkut limit fungsi; pada Bab 15 jumlah Riemann merupakan barisan yang konvergen ke integralnya; sedangkan Bab 17 adalah teori satu kelas khusus barisan, yaitu jumlah parsialnya. Bahkan bab aljabarnya memakainya: iterasi sebuah matriks pada Bab 21 membentuk barisan yang perilakunya (kekonvergenan AnA^n) merupakan pertanyaan aljabar linear dengan kosakata bab ini. Adapun dua teorema yang harus dibawa ke mana-mana: limit monoton (yaitu keberadaan dari urutan) dan Bolzano–Weierstrass (keberadaan dari keterbatasan) — di antara keduanya, hampir setiap limit dalam buku ini terlahir.

Catatan 11.28 (Barisan kompleks)

Barisan (zn)(z_n) berisi bilangan kompleks konvergen ke ℓ\ell bila ∣zn−ℓ∣→0\abs{z_n - \ell} \to 0; setara dengan itu, bila ℜ(zn)→ℜ(ℓ)\Re(z_n) \to \Re(\ell) dan ℑ(zn)→ℑ(ℓ)\Im(z_n) \to \Im(\ell) (bandingkan ∣z∣\abs{z} dengan ∣ℜz∣+∣ℑz∣\abs{\Re z} + \abs{\Im z}). Adapun teorema yang tak melibatkan urutan — operasi, Bolzano–Weierstrass (dengan mengekstrak dua kali), kriteria Cauchy — terbawa persis apa adanya.

11.6 Latihan

Latihan 11.1 ★

Langsung dari Definisi 11.1, buktikan bahwa 2n+1n+3→2\dfrac{2n+1}{n+3} \to 2, dan bahwa (un)=((−1)n)(u_n) = ((-1)^n) divergen.

Solusi

Solusi Latihan 11.1.

∣2n+1n+3−2∣=5n+3\Bigl|\dfrac{2n+1}{n+3} - 2\Bigr| = \dfrac{5}{n+3}. Diberikan ε>0\varepsilon > 0, ambillah N>5ε−3N > \frac 5\varepsilon - 3 (menurut Archimedes): maka untuk n≥Nn \geq N, 5n+3≤ε\frac{5}{n+3} \leq \varepsilon. Jadi limitnya 22.

((−1)n)((-1)^n): subbarisannya (u2n)=(1)(u_{2n}) = (1) dan (u2n+1)=(−1)(u_{2n+1}) = (-1) konvergen ke limit yang berbeda, sehingga barisannya divergen (Proposisi 11.14). (Secara langsung: sebarang calon ℓ\ell gagal untuk ε=12\varepsilon = \frac12, karena suku yang berurutan berjarak 22.)

Latihan 11.2 ★

Hitunglah limitnya:

n2−3n+12n2+5,n+1−n,2n+n33n−n2,5n (=51/n).\frac{n^2 - 3n + 1}{2n^2 + 5}, \qquad \sqrt{n+1} - \sqrt n, \qquad \frac{2^n + n^3}{3^n - n^2}, \qquad \sqrt[n]{5}\ \Bigl(= 5^{1/n}\Bigr).
Solusi

Solusi Latihan 11.2.

Dengan membaginya dengan n2n^2: 1−3/n+1/n22+5/n2→12\dfrac{1 - 3/n + 1/n^2}{2 + 5/n^2} \to \dfrac12.

n+1−n=1n+1+n→0\sqrt{n+1} - \sqrt n = \dfrac{1}{\sqrt{n+1} + \sqrt n} \to 0 (lewat sekawannya).

2n+n33n−n2=(2/3)n+n3/3n1−n2/3n→0+01−0=0\dfrac{2^n + n^3}{3^n - n^2} = \dfrac{(2/3)^n + n^3/3^n}{1 - n^2/3^n} \to \dfrac{0 + 0}{1 - 0} = 0, dengan memakai qn→0q^n \to 0 untuk ∣q∣<1\abs q < 1 beserta perbandingan polinomial lawan geometri (Proposisi 4.6).

51/n=eln⁡5n→e0=15^{1/n} = \eu^{\frac{\ln 5}{n}} \to \eu^0 = 1.

Latihan 11.3 ★

Buktikan perbandingan yang baku: jika ∣q∣<1\abs{q} < 1 maka qn→0q^n \to 0 (tulislah 1∣q∣=1+h\frac{1}{\abs q} = 1 + h, h>0h > 0, lalu pakai ketaksamaan Bernoulli (1+h)n≥1+nh(1+h)^n \geq 1 + nh, yang dibuktikan lewat induksi). Bagaimana perilakunya untuk q=1q = 1, q=−1q = -1, ∣q∣>1\abs q > 1?

Solusi

Solusi Latihan 11.3.

Bernoulli: (1+h)n≥1+nh(1+h)^n \geq 1 + nh untuk h≥−1h \geq -1, lewat induksi — (1+h)n+1=(1+h)n(1+h)≥(1+nh)(1+h)=1+(n+1)h+nh2≥1+(n+1)h(1+h)^{n+1} = (1+h)^n(1+h) \geq (1+nh)(1+h) = 1 + (n+1)h + nh^2 \geq 1 + (n+1)h.

Untuk 0<∣q∣<10 < \abs q < 1: tulislah 1∣q∣=1+h\frac{1}{\abs q} = 1 + h, h>0h > 0; maka ∣q∣n=1(1+h)n≤11+nh→0\abs{q}^n = \frac{1}{(1+h)^n} \leq \frac{1}{1 + nh} \to 0, dan apitannya memberikan qn→0q^n \to 0 (adapun kasus q=0q = 0 sepele). Untuk q=1q = 1: barisannya konstan, dengan limit 11. Untuk q=−1q = -1: divergen (Latihan 11.1). Untuk ∣q∣>1\abs q > 1: ∣q∣n=(1+h)n≥1+nh→+∞\abs q^n = (1 + h)^n \geq 1 + nh \to +\infty, sehingga (qn)(q^n) tak terbatas, jadi divergen (ke +∞+\infty bila q>1q > 1; sedangkan dengan tanda berselang-seling, tanpa limit, bila q<−1q < -1).

Latihan 11.4 ★

Misalkan un+1=un+32u_{n+1} = \frac{u_n + 3}{2}, u0=0u_0 = 0. Carilah titik tetapnya ℓ\ell, buktikan bahwa vn=un−ℓv_n = u_n - \ell bersifat geometri, lalu berikan rumus eksplisit beserta limit (un)(u_n).

Solusi

Solusi Latihan 11.4.

Titik tetapnya: ℓ=ℓ+32\ell = \frac{\ell + 3}{2} memberikan ℓ=3\ell = 3. Lalu

vn+1=un+1−3=un+32−3=un−32=vn2:v_{n+1} = u_{n+1} - 3 = \frac{u_n + 3}{2} - 3 = \frac{u_n - 3}{2} = \frac{v_n}{2}:

(vn)(v_n) bersifat geometri dengan rasio 12\frac12, dan v0=−3v_0 = -3. Jadi un=3−32n→3u_n = 3 - \frac{3}{2^n} \to 3.

Latihan 11.5 ★★

(Deret harmonik) Misalkan Hn=∑k=1n1kH_n = \sum_{k=1}^{n} \frac 1k. Buktikan bahwa H2n−Hn≥12H_{2n} - H_n \geq \frac12 untuk setiap n≥1n \geq 1, lalu simpulkan bahwa (Hn)(H_n) bukan barisan Cauchy, sehingga divergen (ke +∞+\infty, karena ia naik).

Solusi

Solusi Latihan 11.5.

H2n−Hn=∑k=n+12n1k≥n⋅12n=12H_{2n} - H_n = \sum_{k=n+1}^{2n} \frac 1k \geq n \cdot \frac{1}{2n} = \frac12 (karena masing-masing dari nn sukunya bernilai ≥12n\geq \frac{1}{2n}). Seandainya (Hn)(H_n) Cauchy, mengambil ε=13\varepsilon = \frac13 akan memaksa ∣H2n−Hn∣≤13\abs{H_{2n} - H_n} \leq \frac13 untuk nn yang besar: yang bertentangan. Adapun barisan naik yang tak konvergen divergen ke +∞+\infty (Teorema 11.9): jadi Hn→+∞H_n \to +\infty.

Latihan 11.6 ★★

Andaikan (u2n)(u_{2n}), (u2n+1)(u_{2n+1}) dan (u3n)(u_{3n}) semuanya konvergen. Buktikan bahwa (un)(u_n) konvergen. (Carilah subbarisan bersama untuk menyamakan limitnya.)

Solusi

Solusi Latihan 11.6.

Misalkan a=lim⁡u2na = \lim u_{2n}, b=lim⁡u2n+1b = \lim u_{2n+1}, c=lim⁡u3nc = \lim u_{3n}. Barisan (u6n)(u_{6n}) merupakan subbarisan (u2n)(u_{2n}) sekaligus (u3n)(u_{3n}): sehingga limitnya sama dengan aa dan cc, jadi a=ca = c. Barisan (u6n+3)(u_{6n+3}) merupakan subbarisan (u2n+1)(u_{2n+1}) (yaitu indeks ganjil) dan (u3n)(u_{3n}) (dengan indeks 6n+3=3(2n+1)6n + 3 = 3(2n+1)): sehingga b=cb = c. Jadi a=ba = b, lalu Proposisi 11.14 (yaitu genap dan ganjil dengan limit yang sama) memberikan kekonvergenan (un)(u_n).

Latihan 11.7 ★★

Telaahlah barisan u0=0u_0 = 0, un+1=2+unu_{n+1} = \sqrt{2 + u_n}: yaitu kestabilan, kemonotonan, dan limitnya. Lalu buktikan batas galatnya ∣un−2∣≤23 n\abs{u_n - 2} \leq \dfrac{2}{3^{\,n}} (tunjukkan 2−un+1=2−un2+2+un2 - u_{n+1} = \dfrac{2 - u_n}{2 + \sqrt{2 + u_n}} lalu batasi penyebutnya dari bawah oleh 33).

Solusi

Solusi Latihan 11.7.

Kestabilan dan batasnya: I=[0, 2]I = \intcc{0}{2} stabil: karena untuk x∈Ix \in I, 2+x∈[2, 2]⊆I\sqrt{2 + x} \in \intcc{\sqrt 2}{2} \subseteq I; dan u0=0∈Iu_0 = 0 \in I.

Kemonotonannya: f(x)=2+xf(x) = \sqrt{2+x} naik dan u1=2>u0u_1 = \sqrt 2 > u_0: sehingga lewat induksi (un)(u_n) naik. Naik dan terbatas di atas oleh 22: jadi ia konvergen (Teorema 11.9).

Limitnya: ℓ=2+ℓ\ell = \sqrt{2 + \ell} dengan ℓ≥0\ell \geq 0 memberikan ℓ2−ℓ−2=0\ell^2 - \ell - 2 = 0, sehingga ℓ=2\ell = 2.

Batas galatnya: dengan mengalikannya dengan sekawannya,

2−un+1=2−2+un=4−(2+un)2+2+un=2−un2+2+un≤2−un3,2 - u_{n+1} = 2 - \sqrt{2 + u_n} = \frac{4 - (2 + u_n)}{2 + \sqrt{2+u_n}} = \frac{2 - u_n}{2 + \sqrt{2 + u_n}} \leq \frac{2 - u_n}{3},

karena 2+un≥2>1\sqrt{2 + u_n} \geq \sqrt 2 > 1. Lalu lewat induksi dari 2−u0=22 - u_0 = 2:   0≤2−un≤23n\;0 \leq 2 - u_n \leq \frac{2}{3^n}.

Latihan 11.8 ★★

Misalkan (un)(u_n) terbatas, sedemikian sehingga setiap subbarisan (un)(u_n) yang konvergen mempunyai limit ℓ\ell yang sama. Buktikan un→ℓu_n \to \ell. (Pertentangan ditambah Bolzano–Weierstrass.)

Solusi

Solusi Latihan 11.8.

Andaikan (un)(u_n) tak konvergen ke ℓ\ell: maka untuk suatu ε0>0\varepsilon_0 > 0, tak hingga banyak indeks memenuhi ∣un−ℓ∣>ε0\abs{u_n - \ell} > \varepsilon_0; dan indeks itu membentuk subbarisan (uφ(n))(u_{\varphi(n)}). Subbarisan ini terbatas, sehingga menurut Bolzano–Weierstrass (Teorema 11.16) ia mempunyai subsubbarisan yang konvergen, yang limitnya ℓ′\ell' memenuhi ∣ℓ′−ℓ∣≥ε0\abs{\ell' - \ell} \geq \varepsilon_0 (karena ketaksamaannya diteruskan ke limitnya, Teorema 11.7). Padahal subsubbarisan (un)(u_n) merupakan subbarisan (un)(u_n) yang konvergen, sehingga menurut hipotesisnya ℓ′=ℓ\ell' = \ell: yang bertentangan.

Latihan 11.9 ★★★

Dengan notasi Contoh 11.12, andaikan e=pq\eu = \frac pq dengan p,q∈N∗p, q \in \N^*. Dengan memakai aq<e<bq=aq+1q q!a_q < \eu < b_q = a_q + \frac{1}{q\, q!}, kalikanlah dengan q!q! lalu turunkan sebuah pertentangan antara dua bilangan bulat. Simpulkan: e\eu irasional.

Solusi

Solusi Latihan 11.9.

Andaikan e=pq\eu = \frac pq, dengan q≥1q \geq 1. Ketaksamaan tegas aq<e<aq+1q q!a_q < \eu < a_q + \frac{1}{q\,q!} (yang tegas karena (an)(a_n) naik tegas dan (bn)(b_n) turun tegas) bila dikalikan dengan q!q! memberikan

q! aq  <  q! pq  <  q! aq+1q≤q! aq+1.q!\,a_q \;<\; q!\,\frac pq \;<\; q!\,a_q + \frac 1q \leq q!\,a_q + 1.

Sekarang N=q! aq=∑k=0qq!k!N = q!\,a_q = \sum_{k=0}^{q} \frac{q!}{k!} merupakan bilangan bulat (karena setiap q!k!\frac{q!}{k!} adalah hasil kali bilangan bulat untuk k≤qk \leq q), dan demikian pula q! pq=(q−1)! pq!\,\frac pq = (q-1)!\,p. Jadi tampilannya menaruh bilangan bulat (q−1)! p(q-1)!\,p tegas di antara NN dan N+1q≤N+1N + \frac 1q \leq N + 1: yaitu sebuah bilangan bulat yang tegas berada di dalam (N, N+1)\intoo{N}{N+1}, yang mustahil. Jadi e∉Q\eu \notin \Q.

Latihan 11.10 ★★★

(Rata-rata Cesàro) Untuk barisan (un)n≥1(u_n)_{n \geq 1}, tetapkan cn=u1+⋯+unnc_n = \frac{u_1 + \dots + u_n}{n}.

  1. Buktikan bahwa un→ℓu_n \to \ell mengakibatkan cn→ℓc_n \to \ell (potonglah jumlahnya pada sebuah ambang NN; lalu batasi kepalanya oleh besaran tetap dibagi nn, dan ekornya oleh ε\varepsilon).
  2. Tunjukkan lewat contoh bahwa konversnya gagal.
  3. Simpulkan bahwa jika un+1−un→ℓu_{n+1} - u_n \to \ell, maka unn→ℓ\frac{u_n}{n} \to \ell.
Solusi

Solusi Latihan 11.10.

  1. Misalkan ε>0\varepsilon > 0 dan NN dengan ∣uk−ℓ∣≤ε2\abs{u_k - \ell} \leq \frac{\varepsilon}{2} untuk k>Nk > N. Untuk n>Nn > N:

    ∣cn−ℓ∣=∣∑k=1n(uk−ℓ)n∣≤∑k=1N∣uk−ℓ∣n+n−Nn⋅ε2≤Cn+ε2,\abs{c_n - \ell} = \Bigl|\frac{\sum_{k=1}^{n}(u_k - \ell)}{n}\Bigr| \leq \frac{\sum_{k=1}^{N} \abs{u_k - \ell}}{n} + \frac{n - N}{n}\cdot\frac{\varepsilon}{2} \leq \frac{C}{n} + \frac{\varepsilon}{2},

    dengan C=∑k=1N∣uk−ℓ∣C = \sum_{k=1}^N \abs{u_k - \ell} yang tetap. Untuk nn yang besar, Cn≤ε2\frac Cn \leq \frac\varepsilon2: maka ∣cn−ℓ∣≤ε\abs{c_n - \ell} \leq \varepsilon.

  2. un=(−1)nu_n = (-1)^n: divergen, namun cn→0c_n \to 0 (karena jumlah parsialnya terbatas oleh 11, lalu dibagi nn).
  3. Terapkan (1) pada barisan vn=un+1−un→ℓv_n = u_{n+1} - u_n \to \ell: maka rata-rata Cesàronya adalah un+1−u1n→ℓ\frac{u_{n+1} - u_1}{n} \to \ell (secara teleskopis), dan un+1n=un+1−u1n+u1n→ℓ\frac{u_{n+1}}{n} = \frac{u_{n+1} - u_1}{n} + \frac{u_1}{n} \to \ell; lalu menormalkan ulang indeksnya (unn=unn−1⋅n−1n\frac{u_n}{n} = \frac{u_n}{n-1}\cdot\frac{n-1}{n}) memberikan unn→ℓ\frac{u_n}{n} \to \ell.

Latihan 11.11 ★★★

Misalkan (un)(u_n) memenuhi 0≤um+n≤um+un0 \leq u_{m+n} \leq u_m + u_n untuk setiap m,nm, n (yaitu subaditif). Buktikan bahwa (unn)\bigl(\frac{u_n}{n}\bigr) konvergen ke inf⁡n≥1unn\inf_{n \geq 1} \frac{u_n}{n}. (Untuk mm yang tetap, tulislah n=qm+rn = qm + r lalu batasi unn\frac{u_n}{n} memakai un≤q um+uru_n \leq q\,u_m + u_r.)

Solusi

Solusi Latihan 11.11.

Misalkan L=inf⁡n≥1unn≥0L = \inf_{n \geq 1} \frac{u_n}{n} \geq 0, dan ε>0\varepsilon > 0. Pilihlah mm dengan umm≤L+ε\frac{u_m}{m} \leq L + \varepsilon. Setiap nn tertulis n=qm+rn = qm + r, 0≤r<m0 \leq r < m; lalu subaditifnya (yang diulang) memberikan un≤q um+uru_n \leq q\,u_m + u_r, sehingga

unn≤qmn⋅umm+urn≤umm+max⁡(u0,…,um−1)n≤L+ε+Cmn,\frac{u_n}{n} \leq \frac{q m}{n}\cdot\frac{u_m}{m} + \frac{u_r}{n} \leq \frac{u_m}{m} + \frac{\max(u_0, \dots, u_{m-1})}{n} \leq L + \varepsilon + \frac{C_m}{n},

dengan memakai qm≤nqm \leq n. Untuk nn yang besar, Cmn≤ε\frac{C_m}{n} \leq \varepsilon: jadi L≤unn≤L+2εL \leq \frac{u_n}{n} \leq L + 2\varepsilon untuk setiap nn yang besar, dan itulah kekonvergenan ke LL.

Latihan 11.12 ★★★

Dengan memakai kepadatan subgrup Z+2πZ\Z + 2\pi\Z dari (R,+)(\R, +) (Latihan 10.9), buktikan bahwa barisan (sin⁡n)n∈N(\sin n)_{n \in \N} padat di [−1, 1]\intcc{-1}{1} — khususnya ia divergen.

Solusi

Solusi Latihan 11.12.

Subgrup G=Z+2πZG = \Z + 2\pi\Z dari (R,+)(\R, +) bersifat padat: karena ia bukan αZ\alpha\Z, sebab 1=pα1 = p\alpha, 2π=qα2\pi = q\alpha akan membuat 2π=qp2\pi = \frac qp rasional — padahal π∉Q\pi \notin \Q (yang diterima di sini; adapun buktinya disketsakan pada Bab 15). Menurut Latihan 10.9, GG padat di R\R.

Sekarang misalkan y∈[−1, 1]y \in \intcc{-1}{1} dan θ=arcsin⁡y\theta = \arcsin y. Menurut kepadatannya, untuk setiap ε>0\varepsilon > 0 ada n∈Zn \in \Z, k∈Zk \in \Z dengan ∣(n+2πk)−θ∣≤ε\abs{(n + 2\pi k) - \theta} \leq \varepsilon, yakni nn berada dalam jarak ε\varepsilon dari θ−2πk\theta - 2\pi k; lalu, karena sin⁡\sin bersifat periodik-2π2\pi dan Lipschitz-11 (∣sin⁡a−sin⁡b∣≤∣a−b∣\abs{\sin a - \sin b} \leq \abs{a - b}, dari ketaksamaan nilai rata-rata pada Bab 14),

∣sin⁡n−y∣=∣sin⁡(n+2πk)−sin⁡θ∣≤∣n+2πk−θ∣≤ε.\abs{\sin n - y} = \abs{\sin(n + 2\pi k) - \sin\theta} \leq \abs{n + 2\pi k - \theta} \leq \varepsilon .

Satu perincian: nn menjelajahi Z\Z, tetapi sin⁡(−n)=−sin⁡n\sin(-n) = -\sin n dan yy tadi sebarang di [−1, 1]\intcc{-1}{1}, sehingga indeks yang taknegatif sudah mencukupi (gantilah (n,y)(n, y) dengan (−n,−y)(-n, -y) bila perlu). Jadi {sin⁡n:n∈N}\{\sin n : n \in \N\} padat di [−1, 1]\intcc{-1}{1}; dan barisan yang padat pada sebuah ruas mempunyai subbarisan yang mendekati nilai yang berbeda, sehingga ia divergen.

11.7 Soal: Cesàro, Stolz, dan jatuhnya sinus yang lambat

Soal 11.1

Soal akhir pekan — teorema Cesàro–Stolz dan asimtotik un∼3/nu_n \sim \sqrt{3/n} untuk un+1=sin⁡unu_{n+1} = \sin u_n

Teorema Cesàro–Stolz adalah aturan l’Hospital yang diskret: untuk mencari limit sebuah hasil bagi an/bna_n/b_n, cukuplah mencari limit hasil bagi selisihnya (an+1−an)/(bn+1−bn)(a_{n+1} - a_n)/(b_{n+1} - b_n). Soal ini membuktikan teoremanya, memanen limit klasik dengannya, lalu membidikkannya pada sasaran yang termasyhur: yaitu barisan un+1=sin⁡unu_{n+1} = \sin u_n, yang merayap ke 00 dengan kecepatan yang terhitung persis un∼3/nu_n \sim \sqrt{3/n}. Dua fakta dari jilid Sekolah Menengah diberikan cuma-cuma di sini dan dibuktikan kembali dengan jujur nanti dalam jilid ini: yaitu ketaksamaan garis singgungnya

eu≥1+u(u∈R),(G1)\tag{G1} \eu^{u} \geq 1 + u \quad (u \in \R),

yang dibuktikan kembali lewat kecembungan pada Bab 14, dan apitan sinusnya

x−x36  ≤  sin⁡x  ≤  x−x36+x5120(0≤x≤1),∣sin⁡x∣≤∣x∣(x∈R),(G2)\tag{G2} x - \frac{x^3}{6} \;\leq\; \sin x \;\leq\; x - \frac{x^3}{6} + \frac{x^5}{120} \quad (0 \leq x \leq 1), \qquad \abs{\sin x} \leq \abs{x} \quad (x \in \R),

yang dibuktikan kembali lewat rumus Taylor pada Bab 16.

Bagian I — Jumlah tanpa rumus tertutup.

  1. Dengan memakai 1+2+⋯+n=n(n+1)21 + 2 + \dots + n = \frac{n(n+1)}{2} dan 12+⋯+n2=n(n+1)(2n+1)61^2 + \dots + n^2 = \frac{n(n+1)(2n+1)}{6}, hitunglah lim⁡1+2+⋯+nn2\lim \frac{1 + 2 + \dots + n}{n^2} dan lim⁡12+⋯+n2n3\lim \frac{1^2 + \dots + n^2}{n^3}.
  2. Misalkan Tn=∑k=1nkT_n = \sum_{k=1}^n \sqrt k, yang tak mempunyai rumus tertutup. Buktikan apitan

    122 n3/2  ≤  Tn  ≤  n3/2\frac{1}{2\sqrt 2}\,n^{3/2} \;\leq\; T_n \;\leq\; n^{3/2}

    (pertahankan hanya suku dengan k>n2k > \frac n2 untuk batas bawahnya). Jadi TnT_n berorde n3/2n^{3/2} — tetapi dengan konstanta yang mana? Tahanlah pertanyaannya sampai pertanyaan 8.

  3. (Lema teleskopis) Misalkan (bn)(b_n) naik tegas dan andaikan bahwa untuk setiap k≥Nk \geq N,

    m  ≤  ak+1−akbk+1−bk  ≤  M.m \;\leq\; \frac{a_{k+1} - a_k}{b_{k+1} - b_k} \;\leq\; M .

    Buktikan bahwa m≤an−aNbn−bN≤Mm \leq \dfrac{a_n - a_N}{b_n - b_N} \leq M untuk setiap n>Nn > N.

Bagian II — Teorema Cesàro–Stolz. Misalkan (bn)(b_n) naik tegas dengan bn→+∞b_n \to +\infty, dan andaikan an+1−anbn+1−bn→ℓ∈R\dfrac{a_{n+1} - a_n}{b_{n+1} - b_n} \to \ell \in \R.

  1. Tetapkan ε>0\varepsilon > 0. Tunjukkan bahwa ada NN sedemikian sehingga ℓ−ε≤an−aNbn−bN≤ℓ+ε\ell - \varepsilon \leq \dfrac{a_n - a_N}{b_n - b_N} \leq \ell + \varepsilon untuk setiap n>Nn > N.
  2. Tegakkan, untuk n>Nn > N, kesamaan

    anbn−ℓ=aN−ℓ bNbn+(1−bNbn)(an−aNbn−bN−ℓ),\frac{a_n}{b_n} - \ell = \frac{a_N - \ell\,b_N}{b_n} + \Bigl(1 - \frac{b_N}{b_n}\Bigr) \Bigl(\frac{a_n - a_N}{b_n - b_N} - \ell\Bigr),

    lalu simpulkan teoremanya: anbn→ℓ\dfrac{a_n}{b_n} \to \ell.

  3. Buktikan varian +∞+\infty-nya: bahwa jika an+1−anbn+1−bn→+∞\dfrac{a_{n+1} - a_n}{b_{n+1} - b_n} \to +\infty (dengan hipotesis yang sama atas (bn)(b_n)), maka anbn→+∞\dfrac{a_n}{b_n} \to +\infty.
  4. Ambillah bn=nb_n = n: pulihkan teorema rata-rata Cesàro pada Latihan 11.10. Lalu tunjukkan bahwa konvers Cesàro–Stolz gagal: karena untuk an=(−1)na_n = (-1)^n, bn=nb_n = n, hasil bagi an/bna_n/b_n konvergen sedangkan hasil bagi selisihnya tidak. Jadi Stolz jalan satu arah.

Bagian III — Dividen yang pertama.

  1. Buktikan (1+h)3/2−1=3h+3h2+h3(1+h)3/2+1(1+h)^{3/2} - 1 = \dfrac{3h + 3h^2 + h^3}{(1+h)^{3/2} + 1} lewat pensekawanan, lalu simpulkan n((1+1n)3/2−1)→32n\bigl((1 + \tfrac1n)^{3/2} - 1\bigr) \to \tfrac32, dan tutuplah dengan Cesàro–Stolz:

    Tn=∑k=1nk  ∼  23 n3/2,T_n = \sum_{k=1}^{n} \sqrt k \;\sim\; \tfrac23\, n^{3/2} ,

    yang menuntaskan gantungan pada pertanyaan 2.

  2. Dari (G1) semata, turunkan apitan logaritmanya

    t1+t  ≤  ln⁡(1+t)  ≤  t(t>−1)\frac{t}{1 + t} \;\leq\; \ln(1 + t) \;\leq\; t \qquad (t > -1)

    (terapkan (G1) pada u=ln⁡(1+t)u = \ln(1+t) dan pada u=−t/(1+t)u = -t/(1+t)).

  3. Tunjukkan bahwa bn=ln⁡nb_n = \ln n naik tegas dengan ln⁡n→+∞\ln n \to +\infty, lalu buktikan dengan Cesàro–Stolz dan pertanyaan 9 bahwa

    Hn=∑k=1n1k  ∼  ln⁡n.H_n = \sum_{k=1}^{n} \frac 1k \;\sim\; \ln n .

    (Adapun struktur yang lebih halus Hn=ln⁡n+γ+o(1)H_n = \ln n + \gamma + o(1) merupakan soal akhir pekan Bab 17.)

  4. (Dari nisbah ke akar) Misalkan un>0u_n > 0 dengan un+1un→L>0\frac{u_{n+1}}{u_n} \to L > 0. Dengan memakai pertanyaan 9, tunjukkan ln⁡un+1un→ln⁡L\ln\frac{u_{n+1}}{u_n} \to \ln L; lalu terapkan Cesàro untuk menyimpulkan ln⁡unn→ln⁡L\frac{\ln u_n}{n} \to \ln L, kemudian, dengan (G1), bahwa un1/n→Lu_n^{1/n} \to L. Penerapannya: hitunglah lim⁡ (2nn)1/n\lim\,\binom{2n}{n}^{1/n}.

Bagian IV — Jatuhnya sinus yang lambat. Misalkan u0∈Ru_0 \in \R dan un+1=sin⁡unu_{n+1} = \sin u_n.

  1. Dari (G2), tunjukkan 0<sin⁡x<x0 < \sin x < x untuk 0<x≤10 < x \leq 1. Simpulkan: bahwa u1∈[−1, 1]u_1 \in \intcc{-1}{1}; bahwa jika u1=0u_1 = 0 maka barisannya nol mulai peringkat 11; dan bahwa jika u1>0u_1 > 0 (dengan kasus u1<0u_1 < 0 yang simetris, karena sin⁡\sin ganjil), maka (un)n≥1(u_n)_{n \geq 1} turun tegas, positif, dan konvergen ke 00 (kenalilah limitnya lewat ℓ=sin⁡ℓ\ell = \sin \ell, dengan memakai ∣sin⁡a−sin⁡b∣≤∣a−b∣\abs{\sin a - \sin b} \leq \abs{a - b}, yang sendirinya merupakan akibat (G2) dan rumus hasil kali menjadi jumlah).
  2. Anggaplah mulai sekarang u1∈(0, 1]u_1 \in \intoc{0}{1}. Tunjukkan lewat pengapitan, dengan memakai (G2):

    sin⁡unun→1danun−sin⁡unun3→16.\frac{\sin u_n}{u_n} \to 1 \qquad\text{dan}\qquad \frac{u_n - \sin u_n}{u_n^{3}} \to \frac16 .
  3. Buktikan pemfaktoran

    wn:=1un+12−1un2=un−sin⁡unun3⋅un+sin⁡unun⋅(unsin⁡un)2,w_n := \frac{1}{u_{n+1}^{2}} - \frac{1}{u_n^{2}} = \frac{u_n - \sin u_n}{u_n^{3}} \cdot \frac{u_n + \sin u_n}{u_n} \cdot \Bigl(\frac{u_n}{\sin u_n}\Bigr)^{2},

    lalu simpulkan wn→13w_n \to \frac13.

  4. Tutuplah dengan Latihan 11.10 (yaitu versi selisihnya) bahwa 1n un2→13\frac{1}{n\,u_n^{2}} \to \frac13, lalu, lewat argumen pensekawanan bagi akar kuadratnya, judulnya:

    n  un⟶3,yakniun∼3n.\sqrt n\;u_n \longrightarrow \sqrt 3 , \qquad\text{yakni}\qquad u_n \sim \sqrt{\frac 3n} .
  5. Kuantifikasikan kelambanannya: tunjukkan bahwa akhirnya 2/n≤un≤2/n\sqrt{2/n} \leq u_n \leq 2/\sqrt n, sehingga mencapai un≤10−2u_n \leq 10^{-2} menuntut lebih dari 20 00020\,000 iterasi (kira-kira 30 00030\,000, menurut asimtotiknya). Bandingkanlah dengan metode Heron (Contoh 11.24) lalu jelaskan alasan strukturalnya: bahwa pada titik tetap 00, kemiringan sin⁡\sin adalah 11 (yaitu titik tetap yang netral), sedangkan iterasi yang memaruhkan galat menuntut kemiringan bermodulus <1< 1.
  6. Tunjukkan bahwa untuk setiap titik awal u0∈Ru_0 \in \R, entah un=0u_n = 0 mulai peringkat 11 ke depan, entah ∣un∣∼3/n\abs{u_n} \sim \sqrt{3/n} — jadi jatuhnya bersifat semesta, dan hanya tandanya yang mengingat u0u_0.

Bagian V — Asas umumnya. Sinus itu satu contoh dari sebuah mesin.

  1. Misalkan un>0u_n > 0, un→0u_n \to 0, dan un−un+1un2→a>0\dfrac{u_n - u_{n+1}}{u_n^{2}} \to a > 0. Buktikan berturut-turut: un+1un→1\frac{u_{n+1}}{u_n} \to 1; lalu 1un+1−1un→a\frac{1}{u_{n+1}} - \frac{1}{u_n} \to a; lalu n un→1an\,u_n \to \frac1a.
  2. (Model yang persis) Untuk un+1=un1+unu_{n+1} = \dfrac{u_n}{1 + u_n}, u0>0u_0 > 0: tunjukkan bahwa 1un\frac{1}{u_n} bersifat aritmetika, pecahkan dengan persis, lalu periksa kesimpulan pertanyaan 18 terhadap rumus yang persis itu.
  3. Untuk un+1=une−unu_{n+1} = u_n \eu^{-u_n}, u0>0u_0 > 0: tunjukkan un→0u_n \to 0, pakailah (G1) untuk mengapit 1−e−tt\frac{1 - \eu^{-t}}{t} di antara 11+t\frac{1}{1+t} dan 11 untuk t>0t > 0, lalu simpulkan un∼1nu_n \sim \frac 1n.
  4. (Kontak kubik, teleskop yang dikuadratkan) Misalkan un>0u_n > 0, un→0u_n \to 0, un−un+1un3→a>0\dfrac{u_n - u_{n+1}}{u_n^{3}} \to a > 0. Sesuaikan pemfaktoran pertanyaan 14 untuk menunjukkan 1un+12−1un2→2a\frac{1}{u_{n+1}^2} - \frac{1}{u_n^2} \to 2a, lalu simpulkan n un2→12an\,u_n^{2} \to \frac{1}{2a}. Periksa bahwa a=16a = \frac16 memulihkan Bagian IV.

Bagian VI — Batas metodenya, dan moralnya.

  1. Tunjukkan bahwa hipotesis bn→+∞b_n \to +\infty tak dapat dilepaskan: karena untuk an=2−2−na_n = 2 - 2^{-n} dan bn=1−2−nb_n = 1 - 2^{-n}, hasil bagi selisihnya menuju 11 sedangkan anbn→2\frac{a_n} {b_n} \to 2. Tunjuklah baris yang persis pada bukti pertanyaan 5 yang patah.
  2. (Stolz dua kali) Buktikan ∑k=1nHk∼nln⁡n\sum_{k=1}^{n} H_k \sim n \ln n (dengan satu penerapan Cesàro–Stolz, lalu pertanyaan 10; batasilah (n+1)ln⁡(n+1)−nln⁡n(n+1)\ln(n+1) - n\ln n memakai pertanyaan 9).
  3. (Rata-rata geometri) Jika un>0u_n > 0 dan un→ℓ>0u_n \to \ell > 0, tunjukkan (u1u2⋯un)1/n→ℓ(u_1 u_2 \cdots u_n)^{1/n} \to \ell; sedangkan jika un→+∞u_n \to +\infty, tunjukkan (u1⋯un)1/n→+∞(u_1 \cdots u_n)^{1/n} \to +\infty. Simpulkan (n!)1/n→+∞(n!)^{1/n} \to +\infty.
  4. Sintesis, satu kalimat untuk masing-masing: (i) di manakah persisnya kelengkapan masuk ke soal ini; (ii) dalam arti apakah Cesàro–Stolz merupakan aturan l’Hospital yang diskret (adapun kembaran diferensialnya bersandar pada teorema nilai rata-rata pada Bab 14); (iii) nyatakanlah heuristik yang menghubungkan orde kontak ff pada titik tetap yang netral dengan eksponen peluruhan un+1=f(un)u_{n+1} = f(u_n); (iv) telusurilah konstanta 33 pada 3/n\sqrt{3/n} mundur lewat pipa 16→13→3\frac16 \to \frac13 \to 3.
Solusi

Solusi Soal 11.1.

1. Di sini n(n+1)/2n2=1+1/n2→12\dfrac{n(n+1)/2}{n^2} = \dfrac{1 + 1/n}{2} \to \dfrac12, dan n(n+1)(2n+1)/6n3=(1+1/n)(2+1/n)6→13\dfrac{n(n+1)(2n+1)/6}{n^3} = \dfrac{(1 + 1/n)(2 + 1/n)}{6} \to \dfrac13.

2. Batas atasnya: masing-masing dari nn sukunya bernilai ≤n\leq \sqrt n, sehingga Tn≤nnT_n \leq n\sqrt n. Batas bawahnya: suku dengan k>n2k > \frac n2 berjumlah sekurang-kurangnya n2\frac n2, dan masing-masingnya ≥n/2\geq \sqrt{n/2}:

Tn≥n2n2=n3/222.T_n \geq \frac n2 \sqrt{\frac n2} = \frac{n^{3/2}}{2\sqrt 2} .

3. Untuk k≥Nk \geq N, karena bk+1−bk>0b_{k+1} - b_k > 0: m(bk+1−bk)≤ak+1−ak≤M(bk+1−bk)m(b_{k+1} - b_k) \leq a_{k+1} - a_k \leq M(b_{k+1} - b_k). Lalu menjumlahkannya untuk k=N,…,n−1k = N, \dots, n - 1, kedua ruasnya teleskopis:

m (bn−bN)≤an−aN≤M (bn−bN),m\,(b_n - b_N) \leq a_n - a_N \leq M\,(b_n - b_N),

dan membaginya dengan bn−bN>0b_n - b_N > 0 memberikan klaimnya.

4. Menurut definisi limitnya ada NN dengan ℓ−ε≤ak+1−akbk+1−bk≤ℓ+ε\ell - \varepsilon \leq \frac{a_{k+1} - a_k}{b_{k+1} - b_k} \leq \ell + \varepsilon untuk setiap k≥Nk \geq N; lalu pertanyaan 3 dengan m=ℓ−εm = \ell - \varepsilon, M=ℓ+εM = \ell + \varepsilon memindahkan apitannya ke an−aNbn−bN\frac{a_n - a_N}{b_n - b_N}.

5. Dengan menjabarkan ruas kanan kesamaannya:

aN−ℓbNbn+an−aNbn−ℓ bn−bNbn=an−ℓbnbn=anbn−ℓ.\frac{a_N - \ell b_N}{b_n} + \frac{a_n - a_N}{b_n} - \ell\,\frac{b_n - b_N}{b_n} = \frac{a_n - \ell b_n}{b_n} = \frac{a_n}{b_n} - \ell .

Menurut pertanyaan 4, faktor kedua hasil kalinya terbatas oleh ε\varepsilon dalam nilai mutlaknya, dan 0<1−bNbn≤10 < 1 - \frac{b_N}{b_n} \leq 1 untuk nn yang besar, sehingga

∣anbn−ℓ∣≤∣aN−ℓbN∣bn+ε≤2ε\Bigl|\frac{a_n}{b_n} - \ell\Bigr| \leq \frac{\abs{a_N - \ell b_N}}{b_n} + \varepsilon \leq 2\varepsilon

begitu bn≥∣aN−ℓbN∣εb_n \geq \frac{\abs{a_N - \ell b_N}}{\varepsilon}, yang akhirnya terjadi karena bn→+∞b_n \to +\infty. Jadi anbn→ℓ\frac{a_n}{b_n} \to \ell: itulah teorema Cesàro–Stolz.

6. Diberikan MM, pilihlah NN dengan ak+1−akbk+1−bk≥M\frac{a_{k+1} - a_k}{b_{k+1} - b_k} \geq M untuk k≥Nk \geq N; lalu paruh bawah pertanyaan 3 memberikan an−aN≥M(bn−bN)a_n - a_N \geq M(b_n - b_N), sehingga

anbn≥aNbn+M(1−bNbn)⟶M.\frac{a_n}{b_n} \geq \frac{a_N}{b_n} + M\Bigl(1 - \frac{b_N}{b_n}\Bigr) \longrightarrow M .

Di luar suatu peringkat, anbn≥M−1\frac{a_n}{b_n} \geq M - 1; dan karena MM tadi sebarang, anbn→+∞\frac{a_n}{b_n} \to +\infty.

7. Dengan bn=nb_n = n dan an=u1+⋯+una_n = u_1 + \dots + u_n: hasil bagi selisihnya adalah un+1→ℓu_{n+1} \to \ell, sehingga rata-rata Cesàro ann\frac{a_n}{n} menuju ℓ\ell: yaitu bagian (1) Latihan 11.10. Dengan an=una_n = u_n: hasil bagi selisihnya adalah un+1−unu_{n+1} - u_n, yang memberikan bagian (3). Konversnya: an=(−1)na_n = (-1)^n, bn=nb_n = n mempunyai anbn→0\frac{a_n}{b_n} \to 0, namun an+1−an=±2a_{n+1} - a_n = \pm 2 berselang-seling: sehingga hasil bagi selisihnya tak berlimit.

8. Lewat pensekawanan:

((1+h)3/2−1)((1+h)3/2+1)=(1+h)3−1=3h+3h2+h3.\bigl((1+h)^{3/2} - 1\bigr)\bigl((1+h)^{3/2} + 1\bigr) = (1+h)^3 - 1 = 3h + 3h^2 + h^3 .

Untuk h=1nh = \frac1n: n((1+1n)3/2−1)=3+3/n+1/n2(1+1/n)3/2+1n\bigl((1 + \frac1n)^{3/2} - 1\bigr) = \frac{3 + 3/n + 1/n^2}{(1 + 1/n)^{3/2} + 1}, dan 1≤(1+1n)3/2≤(1+1n)2→11 \leq (1 + \frac1n)^{3/2} \leq (1 + \frac1n)^2 \to 1 (lewat apitan), sehingga penyebutnya menuju 22 dan ungkapannya menuju 32\frac32. Sekarang Stolz dengan an=Tna_n = T_n, bn=n3/2b_n = n^{3/2} (yang naik tegas dan →+∞\to +\infty):

n+1(n+1)3/2−n3/2=n+1n⋅1n((1+1n)3/2−1)⟶1⋅23,\frac{\sqrt{n+1}}{(n+1)^{3/2} - n^{3/2}} = \frac{\sqrt{n+1}}{\sqrt n} \cdot \frac{1}{n\bigl((1 + \frac1n)^{3/2} - 1\bigr)} \longrightarrow 1 \cdot \frac{2}{3},

sehingga Tn∼23 n3/2T_n \sim \frac23\,n^{3/2}. (Adapun apitan pertanyaan 2 tadi memerangkap konstantanya di [0.35, 1]\intcc{0.35}{1}; sedangkan Stolz memakukannya.)

9. Dengan (G1) pada u=ln⁡(1+t)u = \ln(1+t): 1+t=eln⁡(1+t)≥1+ln⁡(1+t)1 + t = \eu^{\ln(1+t)} \geq 1 + \ln(1+t), sehingga ln⁡(1+t)≤t\ln(1+t) \leq t. Lalu (G1) pada u=−t1+tu = -\frac{t}{1+t}: e−t/(1+t)≥1−t1+t=11+t>0\eu^{-t/(1+t)} \geq 1 - \frac{t}{1+t} = \frac{1}{1+t} > 0; lalu mengambil ln⁡\ln (yang naik): −t1+t≥−ln⁡(1+t)-\frac{t}{1+t} \geq -\ln(1+t), yakni ln⁡(1+t)≥t1+t\ln(1+t) \geq \frac{t}{1+t}.

10. Fungsi ln⁡\ln naik tegas (Proposisi 4.1), dan ln⁡(2k)=kln⁡2\ln(2^k) = k\ln 2 tak terbatas, sehingga ln⁡n→+∞\ln n \to +\infty. Selisihnya: dengan t=1nt = \frac1n pada pertanyaan 9,

1n+1=1/n1+1/n≤ln⁡(1+1n)≤1n⟹nn+1≤1/(n+1)ln⁡(1+1/n)≤1,\frac 1{n+1} = \frac{1/n}{1 + 1/n} \leq \ln\Bigl(1 + \frac1n\Bigr) \leq \frac1n \quad\Longrightarrow\quad \frac{n}{n+1} \leq \frac{1/(n+1)}{\ln(1 + 1/n)} \leq 1 ,

sehingga hasil bagi selisihnya Hn+1−Hnln⁡(n+1)−ln⁡n\frac{H_{n+1} - H_n}{\ln(n+1) - \ln n} menuju 11; lalu Stolz memberikan Hn∼ln⁡nH_n \sim \ln n.

11. Tetapkan xn=un+1un→Lx_n = \frac{u_{n+1}}{u_n} \to L dan tn=xnL−1→0t_n = \frac{x_n}{L} - 1 \to 0. Menurut pertanyaan 9: tn1+tn≤ln⁡(1+tn)≤tn\frac{t_n}{1 + t_n} \leq \ln(1 + t_n) \leq t_n, sehingga ln⁡xn−ln⁡L=ln⁡(1+tn)→0\ln x_n - \ln L = \ln(1 + t_n) \to 0 lewat pengapitan. Lalu Cesàro (pertanyaan 7) yang diterapkan pada (ln⁡xk)(\ln x_k):

1n∑k=0n−1ln⁡xk=ln⁡un−ln⁡u0n⟶ln⁡L,\frac1n \sum_{k=0}^{n-1} \ln x_k = \frac{\ln u_n - \ln u_0}{n} \longrightarrow \ln L ,

sehingga ln⁡unn→ln⁡L\frac{\ln u_n}{n} \to \ln L. Dengan hn=ln⁡unn−ln⁡L→0h_n = \frac{\ln u_n}{n} - \ln L \to 0: un1/n=L ehnu_n^{1/n} = L\,\eu^{h_n}, dan (G1) mengapit 1+hn≤ehn≤11−hn1 + h_n \leq \eu^{h_n} \leq \frac{1}{1 - h_n} (untuk hn<1h_n < 1), sehingga ehn→1\eu^{h_n} \to 1 dan un1/n→Lu_n^{1/n} \to L. Penerapannya: un=(2nn)u_n = \binom{2n}{n} memberikan

un+1un=(2n+1)(2n+2)(n+1)2=2(2n+1)n+1⟶4,sehingga(2nn)1/n→4.\frac{u_{n+1}}{u_n} = \frac{(2n+1)(2n+2)}{(n+1)^2} = \frac{2(2n+1)}{n+1} \longrightarrow 4 , \qquad\text{sehingga}\qquad \binom{2n}{n}^{1/n} \to 4 .

12. Untuk 0<x≤10 < x \leq 1, (G2) memberikan sin⁡x≥x(1−x26)≥5x6>0\sin x \geq x(1 - \frac{x^2}{6}) \geq \frac{5x}{6} > 0 dan

x−sin⁡x≥x36−x5120=x3(16−x2120)≥19120 x3>0:x - \sin x \geq \frac{x^3}{6} - \frac{x^5}{120} = x^3\Bigl(\frac16 - \frac{x^2}{120}\Bigr) \geq \frac{19}{120}\,x^3 > 0 :

jadi 0<sin⁡x<x0 < \sin x < x pada (0, 1]\intoc{0}{1}. Selalu berlaku u1=sin⁡u0∈[−1, 1]u_1 = \sin u_0 \in \intcc{-1}{1}. Jika u1=0u_1 = 0, maka un=0u_n = 0 untuk n≥1n \geq 1. Jika u1∈(0, 1]u_1 \in \intoc{0}{1}: maka lewat induksi 0<un+1=sin⁡un<un≤10 < u_{n+1} = \sin u_n < u_n \leq 1, sehingga (un)n≥1(u_n)_{n\geq1} turun tegas dan terbatas di bawah oleh 00: jadi ia konvergen ke suatu ℓ∈[0, 1)\ell \in \intco{0}{1} (Teorema 11.9). Adapun rumus hasil kali menjadi jumlah beserta (G2) memberikan ∣sin⁡a−sin⁡b∣=2∣cos⁡a+b2∣ ∣sin⁡a−b2∣≤∣a−b∣\abs{\sin a - \sin b} = 2\abs{\cos \frac{a+b}{2}}\,\abs{\sin\frac{a-b}{2}} \leq \abs{a - b}, sehingga un+1=sin⁡un→sin⁡ℓu_{n+1} = \sin u_n \to \sin \ell: jadi ℓ=sin⁡ℓ\ell = \sin\ell. Jika ℓ>0\ell > 0 maka sin⁡ℓ<ℓ\sin\ell < \ell: yang mustahil. Jadi un→0u_n \to 0.

13. Dengan membagi (G2) dengan un>0u_n > 0:

1−un26≤sin⁡unun≤1−un26+un4120≤1,1 - \frac{u_n^2}{6} \leq \frac{\sin u_n}{u_n} \leq 1 - \frac{u_n^2}{6} + \frac{u_n^4}{120} \leq 1 ,

dan un→0u_n \to 0 mengapit sin⁡unun→1\frac{\sin u_n}{u_n} \to 1. Lalu dengan membagi x−sin⁡xx - \sin x dengan x3x^3:

16−un2120≤un−sin⁡unun3≤16⟶16.\frac16 - \frac{u_n^2}{120} \leq \frac{u_n - \sin u_n}{u_n^3} \leq \frac16 \longrightarrow \frac16 .

14. Karena un+1=sin⁡unu_{n+1} = \sin u_n:

wn=un2−sin⁡2unun2sin⁡2un=(un−sin⁡un)(un+sin⁡un)un2sin⁡2un=un−sin⁡unun3⋅un+sin⁡unun⋅(unsin⁡un)2w_n = \frac{u_n^2 - \sin^2 u_n}{u_n^2 \sin^2 u_n} = \frac{(u_n - \sin u_n)(u_n + \sin u_n)}{u_n^2 \sin^2 u_n} = \frac{u_n - \sin u_n}{u_n^3}\cdot \frac{u_n + \sin u_n}{u_n}\cdot \Bigl(\frac{u_n}{\sin u_n}\Bigr)^{2}

(periksalah pangkat unu_n-nya: 3+1+(−4)3 + 1 + (-4) terhadap un2u_n^2 di bawah dan un4u_n^4 di atas). Menurut pertanyaan 13, ketiga faktornya menuju 16\frac16, 22, 11: jadi wn→13w_n \to \frac13.

15. Di sini vn=1un2v_n = \frac{1}{u_n^2} berselisih vn+1−vn=wn→13v_{n+1} - v_n = w_n \to \frac13, sehingga vnn→13\frac{v_n}{n} \to \frac13 menurut Latihan 11.10 (3): jadi nun2→3n u_n^2 \to 3. Lalu

∣n un−3∣=∣nun2−3∣n un+3≤∣nun2−3∣3⟶0:\abs{\sqrt n\,u_n - \sqrt 3} = \frac{\abs{n u_n^2 - 3}}{\sqrt n\,u_n + \sqrt 3} \leq \frac{\abs{n u_n^2 - 3}}{\sqrt 3} \longrightarrow 0 :

jadi n un→3\sqrt n\,u_n \to \sqrt 3, yakni un∼3/nu_n \sim \sqrt{3/n}.

16. Karena nun2→3n u_n^2 \to 3, akhirnya 2≤nun2≤42 \leq n u_n^2 \leq 4, yakni 2/n≤un≤2/n\sqrt{2/n} \leq u_n \leq 2/\sqrt n. Jika un≤10−2u_n \leq 10^{-2} dengan nn pada rentang itu, maka 2/n≤10−42/n \leq 10^{-4}: jadi n≥20 000n \geq 20\,000; dan 3/n=10−2\sqrt{3/n} = 10^{-2} pada n=30 000n = 30\,000. Adapun metode Heron mengkuadratkan galatnya pada setiap langkah — sehingga cacah angkanya berlipat dua — karena pada titik tetapnya kemiringan yang relevan bermodulus <1< 1 (memang iterasinya bersifat mengontraksi). Di sini sin⁡′0=cos⁡0=1\sin' 0 = \cos 0 = 1: jadi titik tetapnya netral, tak ada kontraksi geometri, dan peluruhannya dikuasai oleh suku taklinear yang pertama −x36-\frac{x^3}{6}, sehingga bersifat polinomial. Satu langkah Heron memperoleh ketelitian yang lebih banyak daripada sepuluh ribu langkah sinusnya.

17. Untuk u0u_0 yang sebarang: u1=sin⁡u0∈[−1, 1]u_1 = \sin u_0 \in \intcc{-1}{1}. Jika u1=0u_1 = 0 maka barisannya lenyap mulai peringkat 11. Jika u1>0u_1 > 0, Bagian IV berlaku persis apa adanya. Jika u1<0u_1 < 0, tetapkan vn=−unv_n = -u_n: maka keganjilan sin⁡\sin memberikan vn+1=−sin⁡un=sin⁡(−un)=sin⁡vnv_{n+1} = -\sin u_n = \sin(-u_n) = \sin v_n dengan v1∈(0, 1]v_1 \in \intoc{0}{1}, sehingga vn∼3/nv_n \sim \sqrt{3/n}, yakni un∼−3/nu_n \sim -\sqrt{3/n}. Pada semua kasusnya ∣un∣∼3/n\abs{u_n} \sim \sqrt{3/n} (atau barisannya akhirnya 00): jadi jatuhnya bersifat semesta, dan hanya tandanya yang mengingat awalnya.

18. Pertama un+1un=1−un−un+1un2 un→1−a⋅0=1\frac{u_{n+1}}{u_n} = 1 - \frac{u_n - u_{n+1}}{u_n^2}\,u_n \to 1 - a \cdot 0 = 1. Lalu

1un+1−1un=un−un+1unun+1=un−un+1un2⋅unun+1⟶a⋅1=a,\frac{1}{u_{n+1}} - \frac{1}{u_n} = \frac{u_n - u_{n+1}}{u_n u_{n+1}} = \frac{u_n - u_{n+1}}{u_n^2}\cdot\frac{u_n}{u_{n+1}} \longrightarrow a \cdot 1 = a ,

dan Latihan 11.10 (3) memberikan 1nun→a\frac{1}{n u_n} \to a, yakni nun→1an u_n \to \frac1a.

19. Dengan vn=1unv_n = \frac{1}{u_n}: vn+1=1+unun=vn+1v_{n+1} = \frac{1 + u_n}{u_n} = v_n + 1, sehingga vn=v0+nv_n = v_0 + n dan

un=u01+nu0,nun=nu01+nu0⟶1.u_n = \frac{u_0}{1 + n u_0} , \qquad n u_n = \frac{n u_0}{1 + n u_0} \longrightarrow 1 .

Periksa lemanya: un−un+1=un21+unu_n - u_{n+1} = \frac{u_n^2}{1 + u_n}, sehingga un−un+1un2=11+un→1=a\frac{u_n - u_{n+1}}{u_n^2} = \frac{1}{1 + u_n} \to 1 = a, dan pertanyaan 18 meramalkan nun→1n u_n \to 1: jadi persis bersesuaian.

20. Kepositifannya lewat induksi (karena e−u>0\eu^{-u} > 0); ia turun karena e−un<1\eu^{-u_n} < 1 untuk un>0u_n > 0; sehingga un→ℓ≥0u_n \to \ell \geq 0 (Teorema 11.9). Jembatan kekontinuannya: dengan hn=ℓ−un→0h_n = \ell - u_n \to 0, e−un=e−ℓehn→e−ℓ\eu^{-u_n} = \eu^{-\ell} \eu^{h_n} \to \eu^{-\ell} menurut apitan (G1) 1+hn≤ehn≤11−hn1 + h_n \leq \eu^{h_n} \leq \frac{1}{1 - h_n}; jadi ℓ=ℓ e−ℓ\ell = \ell\, \eu^{-\ell}, dan ℓ>0\ell > 0 akan memaksa e−ℓ=1\eu^{-\ell} = 1, yang salah: sehingga ℓ=0\ell = 0. Untuk t>0t > 0, (G1) memberikan e−t≥1−t\eu^{-t} \geq 1 - t dan e−t≤11+t\eu^{-t} \leq \frac{1}{1 + t}, sehingga

11+t≤1−e−tt≤1.\frac{1}{1 + t} \leq \frac{1 - \eu^{-t}}{t} \leq 1 .

Dengan t=unt = u_n: un−un+1un2=1−e−unun→1\frac{u_n - u_{n+1}}{u_n^2} = \frac{1 - \eu^{-u_n}}{u_n} \to 1. Lalu pertanyaan 18 dengan a=1a = 1: nun→1n u_n \to 1, sehingga un∼1nu_n \sim \frac1n.

21. Seperti pada pertanyaan 18, un+1un=1−un−un+1un3 un2→1\frac{u_{n+1}}{u_n} = 1 - \frac{u_n - u_{n+1}}{u_n^3}\,u_n^2 \to 1. Lalu

1un+12−1un2=(un−un+1)(un+un+1)un2un+12=un−un+1un3⋅un+un+1un⋅(unun+1)2⟶a⋅2⋅1=2a,\frac{1}{u_{n+1}^2} - \frac{1}{u_n^2} = \frac{(u_n - u_{n+1})(u_n + u_{n+1})}{u_n^2 u_{n+1}^2} = \frac{u_n - u_{n+1}}{u_n^3}\cdot \frac{u_n + u_{n+1}}{u_n}\cdot \Bigl(\frac{u_n}{u_{n+1}}\Bigr)^2 \longrightarrow a \cdot 2 \cdot 1 = 2a ,

dan Latihan 11.10 (3) memberikan 1nun2→2a\frac{1}{n u_n^2} \to 2a: jadi nun2→12an u_n^2 \to \frac{1}{2a}. Untuk sinusnya, a=16a = \frac16 (pertanyaan 13): sehingga nun2→3n u_n^2 \to 3, yaitu persis Bagian IV.

22. Selisihnya: an+1−an=2−n−2−n−1=2−n−1=bn+1−bna_{n+1} - a_n = 2^{-n} - 2^{-n-1} = 2^{-n-1} = b_{n+1} - b_n, sehingga hasil bagi selisihnya selalu 11. Namun anbn=2−2−n1−2−n→2≠1\frac{a_n}{b_n} = \frac{2 - 2^{-n}}{1 - 2^{-n}} \to 2 \neq 1. Adapun bukti pertanyaan 5 patah pada suku batasnya: karena aN−ℓbNbn→0\frac{a_N - \ell b_N}{b_n} \to 0 memerlukan bn→+∞b_n \to +\infty; sedangkan di sini (dengan ℓ=1\ell = 1) aN−bN=1a_N - b_N = 1 dan bn→1b_n \to 1, sehingga sukunya menuju 11 — yaitu persis celah sisanya 2−12 - 1.

23. Stolz dengan An=∑k=1nHkA_n = \sum_{k=1}^n H_k dan Bn=nln⁡nB_n = n\ln n: di sini Bn+1−Bn=ln⁡(n+1)+nln⁡(1+1n)>0B_{n+1} - B_n = \ln(n+1) + n\ln(1 + \frac1n) > 0 dan Bn→+∞B_n \to +\infty. Menurut pertanyaan 9, nn+1≤nln⁡(1+1n)≤1\frac{n}{n+1} \leq n\ln(1 + \frac1n) \leq 1, sehingga Bn+1−Bn=ln⁡(n+1)+θnB_{n+1} - B_n = \ln(n+1) + \theta_n dengan 12≤θn≤1\frac12 \leq \theta_n \leq 1. Jadi

An+1−AnBn+1−Bn=Hn+1ln⁡(n+1)⋅11+θn/ln⁡(n+1)⟶1⋅1=1\frac{A_{n+1} - A_n}{B_{n+1} - B_n} = \frac{H_{n+1}}{\ln(n+1)}\cdot \frac{1}{1 + \theta_n/\ln(n+1)} \longrightarrow 1 \cdot 1 = 1

(dengan pertanyaan 10 untuk faktor pertamanya; sedangkan θn\theta_n terbatas dan ln⁡(n+1)→∞\ln(n+1) \to \infty untuk yang kedua). Lalu Stolz menyimpulkan: ∑k=1nHk∼nln⁡n\sum_{k=1}^n H_k \sim n\ln n.

24. Jika un→ℓ>0u_n \to \ell > 0: maka seperti pada pertanyaan 11, ln⁡un→ln⁡ℓ\ln u_n \to \ln\ell (lewat apitan pertanyaan 9 pada ln⁡unℓ\ln\frac{u_n}{\ell}), sehingga rata-rata Cesàronya 1n∑k=1nln⁡uk→ln⁡ℓ\frac1n\sum_{k=1}^n \ln u_k \to \ln\ell, dan jembatan eksponensial pertanyaan 11 memberikan (u1⋯un)1/n=exp⁡(1n∑ln⁡uk)→ℓ(u_1\cdots u_n)^{1/n} = \exp\bigl(\frac1n\sum\ln u_k\bigr) \to \ell. Jika un→+∞u_n \to +\infty: maka untuk sebarang MM, akhirnya un≥eMu_n \geq \eu^M, sehingga ln⁡un≥M\ln u_n \geq M: jadi ln⁡un→+∞\ln u_n \to +\infty; lalu Cesàro yang +∞+\infty (pertanyaan 6, dengan bn=nb_n = n) memberikan 1n∑ln⁡uk→+∞\frac1n\sum \ln u_k \to +\infty, dan (G1) (es≥1+s\eu^s \geq 1 + s) mengirim rata-rata geometrinya ke +∞+\infty. Dengan un=nu_n = n: (n!)1/n→+∞(n!)^{1/n} \to +\infty.

25. (i) Kelengkapan masuk hanya lewat teorema limit monoton, untuk menghasilkan limit pada pertanyaan 12 dan 20; sedangkan teorema Cesàro–Stolz sendiri murni pengelolaan ε\varepsilon, yang sah di atas Q\Q. (ii) Stolz mengganti lim⁡anbn\lim \frac{a_n}{b_n} dengan lim⁡\lim hasil bagi selisihnya, persis seperti l’Hospital mengganti lim⁡fg\lim\frac fg dengan lim⁡f′g′\lim\frac{f'}{g'} — adapun kembaran diferensialnya bersandar pada teorema nilai rata-rata pada Bab 14. (iii) Heuristiknya: jika f(x)=x−a xp+1+o(xp+1)f(x) = x - a\,x^{p+1} + o(x^{p+1}) pada titik tetap yang netral 00, maka 1un+1p−1unp→pa\frac{1}{u_{n+1}^p} - \frac{1}{u_n^p} \to pa dan un∼(pan)−1/pu_n \sim (pan)^{-1/p}: jadi kontak berorde p+1p + 1 menghasilkan peluruhan n−1/pn^{-1/p} — sehingga makin rata grafiknya terhadap diagonalnya, makin lambat jatuhnya. (iv) Konstantanya: (G2) memasok koefisien kubiknya 16\frac16; lalu pemfaktoran pertanyaan 14 melipatduakannya menjadi selisih teleskopnya 13\frac13; lalu Cesàro mengubah 1un2\frac{1}{u_n^2} menjadi n3\frac n3; dan membalikkannya lalu menarik akarnya menghasilkan 3/n\sqrt{3/n}.

Istilah yang didefinisikan dalam bab ini

Lihat semua 395 istilah di glosarium