الرياضيات · المسرد

ما معنى نهاية متتالية؟

تعريف 11.1 الرياضيات الجامعية — السنة 1 · الفصل 11 — المتتاليات

تتقارب المتتالية (un)(u_n) من الأعداد الحقيقية إلى R\ell \in \R إذا كان

ε>0, NN, nN,unε.\forall \varepsilon > 0,\ \exists N \in \N,\ \forall n \geq N, \qquad \abs{u_n - \ell} \leq \varepsilon .

ويُكتب unu_n \to \ell أو limun=\lim u_n = \ell. وتكون المتتالية التي لا تتقارب (إلى أيّ عدد حقيقي) متباعدة. والتباعد إلى ++\infty: M, N, nN, unM\forall M,\ \exists N,\ \forall n \geq N,\ u_n \geq M (وكذلك -\infty).

أمثلة

مثال 11.2 (برهان ε\varepsilonNN، مكتوبًا مرة واحدة)

الادعاء: un=n2+12n2312u_n = \dfrac{n^2 + 1}{2n^2 - 3} \to \dfrac12. اعزل الخطأ أولًا:

un12=2(n2+1)(2n23)2(2n23)=522n23=52(2n23)(n2).\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).

ثم سيطر عليه بمقدار بسيط: من أجل n2n \geq 2، 2n23n22n^2 - 3 \geq n^2، ومنه فالخطأ هو 52n252n\leq \frac{5}{2n^2} \leq \frac 5{2n}. ومن أجل ε>0\varepsilon > 0، تعطي خاصية أرخميدس Nmax(2,52ε)N \geq \max\bigl(2, \frac{5}{2\varepsilon}\bigr)؛ ومن أجل nNn \geq N يكون الخطأ ε\leq \varepsilon. وانتهى. والفكرة النافذة: لبرهان ε\varepsilonNN ثلاث حركات بالضبط — احسب الخطأ، وحُدّه بمقدار أوليّ متناقص، وحلّ من أجل العتبة — وبعد مبرهنات هذا الفصل (العمليات والحصر) لا يكاد المرء يكتب مثل هذا البرهان مرة أخرى: إذ تعلّب المبرهنات الحركات الثلاث مرة واحدة وإلى الأبد.

مثال 11.3 (التباعد إلى اللانهاية، مصادَقًا عليه)

الادعاء: un=n2100n+u_n = n^2 - 100n \to +\infty. عمّل الحد المهيمن: un=n2(1100n)n22u_n = n^2\bigl(1 - \frac{100}{n}\bigr) \geq \frac{n^2}{2} من أجل n200n \geq 200. ومن أجل MM معطى، خذ N=max(200,2M)N = \max\bigl(200, \lceil\sqrt{2M}\rceil\bigr): فمن أجل nNn \geq N، unn22Mu_n \geq \frac{n^2}{2} \geq M. وعادتان معروضتان هنا: تعميل الحد المهيمن يحوّل تنافسًا (n2n^2 ضد 100n-100n) إلى سلّم وحيد مضروب في عامل يؤول إلى 11؛ وقد تكون العتبة هائلة (u100=0u_{100} = 0، بل المتتالية سالبة قبل n=100n = 100) — فالتباعد إلى ++\infty عبارة عن الذيل، لا تبالي بأيّ قدر منته من سوء السلوك.

مثال 11.6 (العمليات مع حيلة جبرية واحدة)

احسب lim(n2+nn)\lim\,\bigl(\sqrt{n^2 + n} - n\bigr). يؤول الجزآن كلٌّ على حدة إلى ++\infty: ولا تقول مبرهنة العمليات شيئًا عن فرقهما (وهو شكل غير محدَّد). اضرب في المرافق:

n2+nn=(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} .

والآن يتقارب كل شيء: 1+1n1\sqrt{1 + \frac1n} \to 1، لأن 01+h1=h1+h+1h0 \leq \sqrt{1 + h} - 1 = \frac{h}{\sqrt{1+h} + 1} \leq h (بالمرافق مرة أخرى، ثم بالحصر مع h=1nh = \frac1n)؛ وعندئذ تعطي مبرهنة العمليات النهاية 11+1=12\frac{1}{1 + 1} = \frac12. والفكرة النافذة: ليست مبرهنة العمليات حاسبةً لكل النهايات — فالأشكال غير المحدَّدة (\infty - \infty و 00\frac00 و 0×0 \times \infty و 11^\infty) يجب أولًا أن تُحوَّل بالجبر (المرافقات، وتعميل الحد المهيمن) حتى يتقارب كل جزء؛ والآلة المنهجية للحالات العنيدة هي النشر المقارب في الفصل 16.

اقرأ في الفصل ←