background image

Stanisław Kowalski, 

Wykłady z matematyki –  

Ci gi i szeregi liczbowe

 – wykład 5.  

52 

28 

Ci gi liczbowe 

 

 

 

Definicja.  

Ci giem liczbowym

 o wyrazach rzeczywistych nazywamy funkcj  

R

:

)

(

n

a

. Warto  tej funkcji dla liczby natu-

ralnej n nazywamy n

−tym wyrazem ci gu.  

 

Definicja.  

Ci g 

)

(

n

 nazywamy:  

rosn cym

, gdy 

n

n

a

a

>

+1

,  

malej cym

, gdy 

n

n

a

a

<

+1

.  

 

1. Przykład.

 Zbadaj monotoniczno  ci gu 

4

3

1

2

+

+

=

n

n

a

n

=

+

+

+

+

=

+

+

+

+

+

+

=

+

4

3

1

2

7

3

3

2

4

3

1

2

4

)

1

(

3

1

)

1

(

2

1

n

n

n

n

n

n

n

n

a

a

n

n

)

4

3

)(

7

3

(

)

7

3

)(

1

2

(

)

4

3

)(

3

2

(

+

+

+

+

+

+

n

n

n

n

n

n

0

)

4

3

)(

7

3

(

5

>

+

+

=

n

n

 

Ci g jest rosn cy. 
 

2. Przykład.

 Zbadaj monotoniczno  ci gu 

!

2

n

a

n

n

=

 

0

1

1

!

2

1

1

2

!

2

!

2

)

1

(

!

2

2

!

2

)!

1

(

2

1

1

<

+

=

+

=

+

=

+

=

+

+

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

a

a

n

n

n

n

n

n

n

n

 dla 

1

>

n

Ci g jest malej cy. 
 

Definicja.

 

Ci g nazywamy 

ograniczonym

, gdy zbiór jego wyrazów jest ograniczony.  

Analogicznie definiujemy 

ograniczono  z dołu

 oraz 

ograniczono  z góry

 

3.  Przykład.

  Ci g 

n

n

n

a

)

1

(

)

cos(

=

π

=

nie  jest  monotoniczny.  Jest  ograniczony  z  góry  przez  liczb  

1

=

M

, jest te

 ograniczony z dołu przez liczb  

1

=

m

 

4. Przykład.

 Ci g 

n

b

n

=

jest rosn cy. Jest ograniczony z dołu przez 

1

=

m

, nie jest ograniczony z góry. 

 

5. Przykład.

 Ci g 

1

+

=

n

n

c

n

 jest rosn cy. Jest zatem ograniczony z dołu przez liczb  

2

1

1

=

c

m

. Po-

niewa  

1

1

1

1

<

+

=

n

c

n

, wi c ci g jest ograniczony z góry przez liczb  

1

=

M

 

Definicja.

 

Ci g 

)

(

n

 jest 

zbie ny do granicy wła ciwej

 a, gdy w zbiorze 

)

,

(

ε

+

ε

=

ε

a

a

a

U

 znajduj  si  prawie wszystkie wyrazy 

ci gu (tzn. wszystkie po odrzuceniu sko czenie wielu wyrazów pocz tkowych). Zapisujemy to symbolicznie w postaci 

ε

>

>

ε

=

a

n

n

n

n

n

n

a

a

a

U

N

0

0

0

lim

 

 

 

background image

Stanisław Kowalski, 

Wykłady z matematyki –  

Ci gi i szeregi liczbowe

 – wykład 5.  

53 

Definicja.

 

Ci g 

)

(

n

 jest 

zbie ny do 

, gdy dla ka dej ustalonej liczby M prawie wszystkie wyrazy ci gu s  od niej wi ksze: 

M

a

a

n

n

n

n

M

n

n

>

=

>

0

0

lim

N

R

 

 

Definicja.

 

Ci g 

)

(

n

 jest 

zbie ny do −−−−∞

, gdy dla ka dej ustalonej liczby m prawie wszystkie wyrazy ci gu s  od niej mniejsze: 

m

a

a

n

n

n

n

m

n

n

<

−∞

=

>

0

0

lim

N

R

 

 

Definicja.

 

Ci g maj cy granic  (wła ciw  lub niewła ciw ) nazywamy 

zbie nym

, ci g nie maj cy granicy (wła ciwej lub niewła-

ciwej) nazywamy 

rozbie nym

Fakt.

 

Ci g zbie ny ma dokładnie jedn  granic . 

 

6. Przykład.

 Uzasadni ,  e 

1

1

lim

=

+

n

n

n

.  

Niech 

0

>

ε

 b dzie dowolne i niech 

n

n

a

n

1

+

=

. Wówczas  

)

1

,

1

(

1

ε

+

ε

=

ε

U

n

a

 

⇔ 

ε

+

<

<

ε

1

1

n

a

 

⇔ 

ε

+

<

+

<

ε

1

1

1

n

n

 

⇔ 

ε

<

<

ε

n

1

 

⇔  

ε

> 1

n

 

Je li  wzi  

0

  równe  cz ci  całkowitej  liczby 

ε

1

,  to  wyrazy  ci gu  o  numerach  wi kszych  od 

0

  (prawie  wszystkie 

wyrazy ci gu) nale  do 

ε

1

Przykładowo: 

01

,

0

=

ε

   

100

0

=

n

 

001

,

0

=

ε

   

1000

0

=

n

 

0001

,

0

=

ε

   

10000

0

=

n

 

Fakt

.  

Warunkiem  koniecznym  zbie no ci  ci gu  jest  jego  ograniczono .  Nie  jest  to  warunek  wystarczaj cy,  np.  ci g 

n

n

n

a

)

1

(

cos

=

π

=

 jest ograniczony, lecz rozbie ny. 

 
Fakt

Je li ci g jest zbie ny do granicy wła ciwej, to jest ograniczony. 

 

Fakt

.  

Monotoniczno  nie jest warunkiem koniecznym zbie no ci, np. ci g 

( )

n

n

x

2

1

1

+

=

 jest zbie ny, cho  nie jest monoto-

niczny. 

 
Fakt.

  

Je li ci g jest monotoniczny i ograniczony, to jest zbie ny do granicy wła ciwej. 

 

Fakt

 

(

T

WIERDZENIE

 o trzech ci gach).  

g

b

g

c

a

c

b

a

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

N

n

=

=

=

>

lim

lim

lim

,

0

0

 

 

background image

Stanisław Kowalski, 

Wykłady z matematyki –  

Ci gi i szeregi liczbowe

 – wykład 5.  

54 

7. Przykład.

 

0

!

lim

=

n

n

n

n

,  

Wystarczy do oszacowania 

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

1

1

...

3

2

1

!

0

<

=

<

 zastosowa  twierdzenie o trzech ci gach. 

 

8. Przykład.

 

0

!

sin

lim

=

n

n

Wystarczy do oszacowania 

n

n

n

n

1

!

sin

1

 zastosowa  twierdzenie o trzech ci gach. 

 

Fakt

.

  

( )

e

=

+

1

1

lim

0

Liczb  niewymiern  e, równ  

...

7182

,

2

...

!

5

1

!

4

1

!

3

1

!

2

1

1

1

+

+

+

+

+

+

 nazywamy 

liczb  Eulera

. Jest ona podstaw  loga-

rytmu naturalnego (ln oznacza logarytm przy podstawie e). 
 

9. Przykład.

 

3

3

3

lim

=

+

e

n

n

n

,  

=

+

+

=

+

→∞

→∞

3

3

3

3

)

3

(

lim

3

lim

n

n

n

n

n

n

n

n

3

)

3

(

3

3

3

3

3

1

lim

+

+

+

+

n

n

n

n

n

3

3

9

3

lim

+

+

=

=

e

e

n

n

n

 

10. Przykład.

 

1

1

2

2

2

1

lim

=

+

e

n

n

n

,  

=

+

+

=

+

1

2

2

1

2

2

2

2

1

1

)

1

(

lim

1

lim

n

n

n

n

n

n

n

n

)

1

2

(

1

2

2

)

1

(

2

1

1

1

lim

+

+

+

+

→∞

n

n

n

n

n

1

1

1

lim

2

2

=

=

e

e

n

n

n

 

 

11. Przykład.

 

2

2

1

lim

=

e

n

n

n

  

2

2

2

1

1

lim

1

lim

=

+

=

e

n

n

n

n

n

n

n

 

Fakt.  

(Ci g 

)

(

n

 jest zbie ny do granicy g) 

⇔ (ka dy jego podci g jest zbie ny do granicy g). 

 

Ostatnie twierdzenie stosujemy chc c udowodni  rozbie no  ci gu: wystarczy wskaza  dwa podci gi ci gu zbie ne do 
ró nych granic. 

 

12. Przykład.

Uzasadnij rozbie no  ci gu 

)

cos(

π

=

n

a

n

 Poniewa   

=

π

=

,

1

,

1

)

cos(

ych

nieparzyst

dla

parzystych

dla

n

n

n

a

n

 

wi c podci g zło ony z nieparzystych wyrazów ci gu ma granic  

−1, za  podci g zło ony z parzystych wyrazów ci gu 

ma granic  1. 

13. Przykład.

Uzasadnij rozbie no  ci gu 

2

sin

π

=

n

d

n

W tym ci gu istniej  podci gi zbie ne odpowiednio do granic 

0, 1, −1. 

 
 

background image

Stanisław Kowalski, 

Wykłady z matematyki –  

Ci gi i szeregi liczbowe

 – wykład 5.  

55 

29

 

Szeregi liczbowe 

 

Definicja.

 

Niech 

)

(

n

 b dzie ci giem liczbowym o wyrazach rzeczywistych. Ci g sum cz ciowych  

n

n

n

a

a

a

S

S

+

+

+

=

...

:

)

(

2

1

 

nazywamy 

szeregiem  liczbowym

.  Szereg  liczbowy  nazywamy  zbie nym,  gdy  ci g  sum  cz ciowych  ma  sko czon  

granic  S: 

S

S

n

n

=

lim

Granic  ci gu sum cz ciowych nazywamy wówczas

 

sum  szeregu

 niesko czonego i piszemy 

=

=

1

n

n

a

S

14. Przykład.

Obliczymy sum  szeregu 

=

+

1

)

1

(

1

n

n

n

 Przy tworzeniu ci gu sum cz ciowych zastosujemy wzór 

1

1

1

)

1

(

1

+

=

+

n

n

n

n

1

1

1

1

1

5

1

4

1

4

1

3

1

3

1

2

1

2

1

1

)

(

...

)

(

)

(

)

(

)

1

(

4

4

3

2

1

+

+

=

+

+

+

+

+

=

n

a

n

n

a

a

a

a

n

S

 

=

+

1

)

1

(

1

n

n

n

1

)

1

(

lim

lim

1

1

=

=

=

+

n

n

n

n

S

 

15. Przykład.

Obliczy  sum  szeregu

=

+

1

)

2

(

1

n

n

n

Przy tworzeniu ci gu sum cz ciowych zastosujemy wzór 

)

2

(

2

1

2

1

)

2

(

1

+

=

+

n

n

n

n

)

2

(

2

1

)

1

(

2

1

4

1

2

1

)

2

(

2

1

2

1

12

1

8

1

10

1

6

1

8

1

4

1

6

1

2

1

4

4

3

2

1

)

(

...

)

(

)

(

)

(

)

(

+

+

+

+

=

+

+

+

+

+

=

n

n

a

n

n

a

a

a

a

n

S

 

=

+

1

)

2

(

1

n

n

n

4

3

)

2

(

2

1

)

1

(

2

1

4

1

2

1

)

(

lim

lim

=

+

=

=

+

+

n

n

n

n

n

S

 

16. Przykład.

Obliczy  sum  szeregu 

=1

2

1

n

n

Jest to szereg geometryczny, którego sum  liczymy ze wzoru 

q

a

S

=

1

1

, o ile 

1

|

|

<

q

. Zatem  

1

1

2

1

2

1

2

1

1

=

=

=

n

n

 

 

Fakt.

  

Warunkiem koniecznym na to, by szereg był zbie ny, jest by ci g wyrazów d ył do zera:  

=1

n

n

jest zbie ny   

0

lim

=

n

n

a

  

0

lim

n

n

a

 

=1

n

n

jest zbie ny. 

 

background image

Stanisław Kowalski, 

Wykłady z matematyki –  

Ci gi i szeregi liczbowe

 – wykład 5.  

56 

30

 

Kryteria (warunki wystarczaj ce) zbie no ci szeregów 

 
 

1

°°°°

 Kryterium porównawcze (1):  

Je li szeregi 

=

=

1

1

,

n

n

n

n

b

a

spełniaj  zało enia 

n

n

b

a

0

, to ze zbie no ci drugiego szeregu (majoranty) wynika zbie -

no   pierwszego  szeregu  (minoranty);  z  rozbie no ci  pierwszego  szeregu  (minoranty)  wynika  rozbie no   drugiego 
szeregu (majoranty). 

 

Fakt. 

>

α

α

<

=

α

1

1

0

1

1

dla

zbie ny

jest

dla

rozbie ny

jest

szereg

n

n

 

 
 

2

°°°°

 Kryterium porównawcze(2): 

Je li  dla  szeregów 

=

=

1

1

,

n

n

n

n

b

a

o  wyrazach  dodatnich  istnieje  sko czona  granica 

0

lim

>

=

k

b

a

n

n

n

,  to  rozpatrywane 

szeregi s  jednocze nie zbie ne albo jednocze nie rozbie ne. 

 

 

17.  Przykład. 

=

2

)

1

(

1

n

n

n

  jest  rozbie ny,  gdy  

n

n

n

n

1

1

)

1

(

1

2

=

>

  i  minoranta 

=1

1

n

n

  jest  roz-

bie na. 

 

18. Przykład. 

=

1

1

3

1

n

n

n

 jest zbie ny, gdy  

1

3

1

3

1

1

n

n

n

<

 i majoranta 

=

1

1

3

1

n

n

 jest zbie na (jako 

szereg geometryczny). 

 

19.  Przykład. 

=1

1

sin

n

n

  jest  rozbie ny,  gdy  

1

1

1

sin

lim

=

n

n

n

  (korzystali my  ze  wzoru 

1

sin

lim

0

=

x

x

x

)  i 

szereg 

=1

1

n

n

 jest rozbie ny. 

 

20. Przykład. 

=

+

+

1

2

2

1

2

ln

n

n

n

 jest zbie ny, gdy  

1

1

)

1

1

1

ln(

lim

1

1

2

ln

lim

2

2

2

2

2

=

+

+

=

+

+

n

n

n

n

n

n

 (korzystali my ze 

wzoru 

1

)

1

ln(

lim

0

=

+

x

x

x

) i szereg 

=1

2

1

n

n

 jest zbie ny. 

 
 

 
 

background image

Stanisław Kowalski, 

Wykłady z matematyki –  

Ci gi i szeregi liczbowe

 – wykład 5.  

57 

3

°°°°

 Kryterium pierwiastkowe Cauchy’ego

(1)

Je li w szeregu 

=1

n

n

 o wyrazach dodatnich 

g

a

n

n

n

=

lim

, to 

<

>

=

1

1

1

g

g

a

n

n

dla

zbie ny

jest

dla

rozbie ny

jest

szereg

 

Kryterium nie orzeka o zbie no ci szeregu, gdy 

1

lim

=

n

n

n

a

 

21. Przykład. 

=

+

1

2

1

3

1

n

n

n

n

n

 jest zbie ny, gdy  

 

1

3

1

1

1

1

3

1

lim

1

3

1

lim

lim

1

1

)

1

(

<

=

+

+

=

+

=

+

+

e

n

n

n

a

n

n

n

n

n

n

n

n

n

 

22. Przykład.

 

=2

)

(ln

1

n

n

n

 jest zbie ny, gdy  

1

0

ln

1

lim

lim

<

=

=

n

a

n

n

n

n

 

 

4°°°° Kryterium ilorazowe d’Alemberta

(2)

 .   

Je li w szeregu 

=1

n

n

 o wyrazach dodatnich 

g

a

a

n

n

n

=

+

1

lim

, to 

<

>

=

1

1

1

g

g

a

n

n

dla

zbie ny

jest

dla

rozbie ny

jest

szereg

 

Kryterium nie orzeka o zbie no ci szeregu, gdy 

1

lim

1

=

+

n

n

n

a

a

 

 

23. Przykład.

 

=1

!

3

n

n

n

n

n

 jest rozbie ny, gdy   

lim

lim

(

)!

(

)

!

lim

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

a

a

n

n

n

n

n

e

→∞

+

→∞

+

+

→∞

=

+

+

=

+

= >

1

1

1

3

1

1

3

3

1

1

3

1

24. Przykład.

 

=1

2

2

2

)

!

(

n

n

n

 jest zbie ny, gdy   

lim

lim

(

)! (

)!

! !

lim

(

)

(

)

n

n

n

n

n

n

n

n

a

a

n

n

n n

n

→∞

+

→∞

+

→∞

+

=

+ ⋅ +

=

+

= <

1

1

2

2 1

1

1

2

2

1

2

0 1

2

2

. 

 

 

 

5

°°°°

 Kryterium Leibniza

(3)

 dla szeregów naprzemiennych. 

Szereg  postaci 

=

1

1

)

1

(

n

n

n

,  gdzie 

)

(

n

a

  jest  ci giem  malej cym  do  zera  nazywa  si  

szeregiem  naprzemiennym 

(

0

>

n

a

). Ka dy szereg naprzemienny jest zbie ny i 

1

1

1

2

1

)

1

(

a

a

a

a

n

n

n

<

<

=

 

 

                                                           

(1)

 Augustin Cauchy (1789-1857): matematyk francuski. 

(2)

 Jean Lerond d’Alembert (1717-1783): matematyk francuski. 

(3)

 Gottfried Wilhelm Leibniz (1646-1716): matematyk niemiecki. 

background image

Stanisław Kowalski, 

Wykłady z matematyki –  

Ci gi i szeregi liczbowe

 – wykład 5.  

58 

25. Przykład. 

Szeregami naprzemiennymi s :

 

2

ln

...

6

1

5

1

4

1

3

1

2

1

1

=

+

+

+

 (szereg anharmoniczny), 

4

...

11

1

9

1

7

1

5

1

3

1

1

π

=

+

+

+

3

2

...

32

1

16

1

8

1

4

1

2

1

1

=

+

+

+

  (jako geometryczny). 

 

 

6

°°°°

 Zbie no

 bezwzgl dna i zbie no

 warunkowa. 

Je li  szereg 

=1

|

|

n

n

  jest  zbie ny,  to  i  szereg 

=1

n

n

jest  zbie ny.  W  tym  przypadku  szereg 

=1

n

n

  nazywamy 

bez-

wzgl dnie zbie nym

. Implikacja odwrotna nie zachodzi.  

Je li szereg 

=1

|

|

n

n

 nie jest zbie ny, ale szereg 

=1

n

n

jest zbie ny, to szereg 

=1

n

n

 nazywamy 

warunkowo zbie -

nym

 

26. Przykład.

 

=

+

1

1

1

)

1

(

n

n

n

  jest zbie ny warunkowo. 

 

27. Przykład.

  

=

+

1

3

1

)

2

(

1

)

1

(

n

n

n

  jest zbie ny bezwzgl dnie (porówna  z 

=1

3

1

n

n

). 

 

Fakt.  

Je li szereg jest zbie ny bezwzgl dnie, to dowolna zmiana kolejno ci wyrazów nie narusza zbie no ci szeregu ani nie 
zmienia sumy szeregu. 

 

 

Fakt (twierdzenie Riemanna).  

Je li szereg jest warunkowo zbie ny, to zmieniaj c kolejno  jego wyrazów mo na otrzymywa  ze  szeregi o dowolnie 
pomy lanych sumach a tak e szeregi rozbie ne.