Analiza matematyczna 1

Notatki do wykªadu

Mateusz Kwa±nicki

3 Przestrzenie metryczne

Jedn¡ z najwa»niejszych funkcji rzeczywistych jest warto±¢ bezwzgl¦dna:

(a

je±li a ≥ 0,

|a| =

−a

je±li a < 0.

Warto±¢ bezwzgl¦dna liczby x to odlegªo±¢ punktu x od 0 na osi liczbowej. Ta interpretacja przydaje si¦ do szybkiego rozwi¡zywania prostych nierówno±ci.

Przykªad 1. Rozwi¡za¢ nierówno±¢ |x − 2| < |x|.

Rozwi¡zanie. Rozwi¡zaniem jest zbiór tych x, które bli»sze s¡ 2 ni» 0. S¡ to oczywi±cie wszyst-kie liczby wi¦ksze od 1.

Korzystaj¡c z denicji warto±ci bezwzgl¦dnej, musieliby±my rozwa»y¢ trzy przypadki: x < 0, 0 ≤ x < 2

oraz 2 ≤ x. Byªoby to mo»e rozwi¡zanie bardziej formalne, ale dªu»sze i mniej intuicyjne.

Uogólnieniem odlegªo±ci na osi liczbowej, uwzgl¦dniaj¡cym tak»e odlegªo±¢ na pªaszczy¹nie, w przestrzeni i wiele innych przykªadów, jest poj¦cie metryki.

Denicja. Niech X b¦dzie niepustym zbiorem. Metryk¡ na zbiorze X nazywamy dowoln¡

funkcj¦ d : X × X → [0, ∞), speªniaj¡c¡ nast¦puj¡ce warunki:

d(x, y) = 0 ⇐⇒ x = y

(x, y ∈ X)

(warunek to»samo±ci);

(1)

d(x, y) = d(y, x)

(x, y ∈ X)

(warunek symetrii);

(2)

d(x, z) ≤ d(x, y) + d(y, z)

(x, y, z ∈ X)

(warunek trójk¡ta).

(3)

Zbiór X wraz z metryk¡ d tworzy przestrze« metryczn¡.

Metryki najcz¦±ciej oznacza si¦ literami d, %, δ.

Przykªad 2. Metryka moduª ró»nicy: Niech d : R × R → [0, ∞), d(x, y) = |x − y|. Spraw-dzenie warunków metryki jest prostym ¢wiczeniem.

Przez Rn oznaczamy zbiór wszystkich n-elementowych ci¡gów liczb rzeczywistych. Ele-

menty tego zbioru oznaczamy (a1, a2, ..., an) itp.

Przykªad 3. Metryka euklidesowa w przestrzeni n-wymiarowej: d : Rn × Rn → [0, ∞),

p

d((a1, a2, ..., an), (b1, b2, ..., bn)) =

(a1 − b1)2 + (a2 − b2)2 + ... + (an − bn)2.

Sprawdzamy warunki metryki. Warunek to»samo±ci:

d((a1, a2, ..., an), (b1, b2, ..., bn)) = 0 ⇐⇒ (a1 − b1)2 + (a2 − b2)2 + ... + (an − bn)2 = 0

⇐⇒ a1 − b1 = a2 − b2 = ... = an − bn = 0

⇐⇒ (a1, a2, ..., an) = (b1, b2, ..., bn);

skorzystali±my tu z faktu, »e suma liczb nieujemnych jest równa zero wtedy i tylko wtedy, gdy ka»da z tych liczb jest równa zero. Warunek symetrii:

d((a1, a2, ..., an), (b1, b2, ..., bn)) = d((b1, b2, ..., bn), (a1, a2, ..., an))

1

wynika z równo±ci (aj − bj)2 = (bj − aj)2. Warunek trójk¡ta:

d((a1, a2, ..., an), (c1, c2, ..., cn)) ≤ d((a1, a2, ..., an), (b1, b2, ..., bn)) + d((b1, b2, ..., bn), (c1, c2, ..., cn) zapiszmy, podstawiaj¡c aj − bj = pj, bj − cj = qj, aj − cj = pj + qj:

q

q

p(p1 + q1)2 + (p2 + q2)2 + ... + (pn + qn)2 ≤

p2 + p2 + ... + p2 +

q2 + q2 + ... + q2 .

1

2

n

1

2

n

Jest to tzw.

nierówno±¢ Minkowskiego, któr¡ udowodnimy, korzystaj¡c z nierówno±ci

Cauchy'ego-Buniakowskiego-Schwarza. Obie strony nierówno±ci Minkowskiego s¡ nieujemne, wi¦c jest ona równowa»na nierówno±ci:

(p

1 + q1)2 + (p2 + q2)2 + ... + (pn + qn)2 ≤

p2 + p2 + ... + p2 + q2 + q2 + ... + q2

1

2

n

1

2

n

q

q

+ 2

p2 + p2 + ... + p2 ·

q2 + q2 + ... + q2 .

1

2

n

1

2

n

Po redukcji, otrzymujemy równowa»nie:

q

q

p1 q1 + p2 q2 + ... + pn qn ≤

p2 + p2 + ... + p2 ·

q2 + q2 + ... + q2 .

1

2

n

1

2

n

Jest to nierówno±¢ Cauchy'ego-Schwarza-Buniakowskiego.

Uwaga. Dla n = 1 metryka euklidesowa jest równa metryce moduª ró»nicy. Dla n = 2 oraz n = 3 jest to zwykªa odlegªo±¢ odpowiednio na pªaszczy¹nie i w przestrzeni trójwymiarowej.

Przykªad 4. Dla punktów x, y na sferze (tj. na powierzchni kuli) niech d(x, y) oznacza dªugo±¢

najkrótszego ªuku ª¡cz¡cego x i y w caªo±ci zawartego w sferze, a %(x, y) dªugo±¢ odcinka ª¡cz¡cego x i y. Mo»na dowie±¢, »e d i % s¡ metrykami oraz »e %(x, y) ≤ d(x, y) ≤ π %(x, y).

Przykªad 5. Niech d b¦dzie metryk¡ moduª ró»nicy na R i niech % b¦dzie tzw. metryk¡

dyskretn¡: %(x, y) = 0 je±li x = y oraz %(x, y) = 1 w przeciwnym przypadku. Wówczas

nie istniej¡ liczby dodatnie m i M takie, »e m %(x, y) ≤ d(x, y) dla wszystkich x, y ∈ R lub d(x, y) ≤ M %(x, y).

Poj¦cie metryki ma odpowiada¢ odlegªo±ci. Warunek to»samo±ci mówi, »e odlegªo±¢ mi¦-

dzy ró»nymi punktami jest zawsze dodatnia. Warunek symetrii mo»na rozumie¢ nast¦puj¡co: mierzona jest odlegªo±¢ mi¦dzy dwoma punktami, a nie odlegªo±¢ z jednego punktu do drugiego.

W wielu przypadkach z »ycia ten warunek nie jest speªniony, np. odlegªo±ci podawane na szla-kach górskich cz¦sto zale»¡ od kierunku, w którym szlak jest przemierzany. Warunek trójk¡ta oznacza, »e (najkrótsza) droga z punktu x do punktu z nie mo»e by¢ dªu»sza od najkrótszej drogi z x do z przechodz¡cej dodatkowo przez y.

Z warunków (1)(3) wynika wiele innych wªasno±ci.

Wniosek. Je±li d jest metryk¡ na zbiorze X, to dla wszystkich x, y, z zachodzi

d(x, y) ≥ |d(x, z) − d(y, z)| .

Dowód. Wobec warunku trójk¡ta (i symetrii),

d(x, y) ≥ d(x, z) − d(y, z)

oraz

d(x, y) ≥ d(y, z) − d(x, z).

St¡d i z denicji warto±ci bezwzgl¦dnej wynika teza.

Teoria przestrzeni metrycznych jest cz¦±ci¡ topologii, dziedziny matematyki zajmuj¡cej si¦

przeksztaªceniami ci¡gªymi. Obszerniejsze wprowadzenie do tej dziedziny wymagaªoby zbyt du»o czasu. Przestrzenie metryczne b¦d¡ dla nas kontekstem do rozwa»a« o granicy, ci¡gªo±ci funkcji rzeczywistych itp.

Je±li nie jest powiedziane inaczej, w zbiorze liczb rzeczywistych zawsze mówimy o metryce

moduª ró»nicy. Ogólniej: w przestrzeni Rn naturaln¡ metryk¡ jest metryka euklidesowa.

2

4 Ci¡gi i zbie»no±¢

Denicja. Ci¡giem elementów zbioru X nazywamy dowoln¡ funkcj¦ a : N → X. Czasem

przez ci¡g b¦dziemy rozumieli funkcj¦ a : {k, k + 1, k + 2, k + 3, ...} → X, gdzie k jest dowoln¡

liczb¡ caªkowit¡. Wielko±¢ a(n) nazywamy n-tym wyrazem ci¡gu a i oznaczamy an. Cz¦sto zamiast ci¡g a mówimy ci¡g (an), ci¡g (an : n ∈ N) lub po prostu ci¡g an. Zbiór wszystkich ci¡gów elementów X oznaczamy przez XN.

Ci¡gi mog¡ by¢ zadane jawnym wzorem (np. an = 2n−1), rekurencyjnie (np. an+1 = 2an+1

dla n ≥ 1, a1 = 1) lub w dowolny inny sposób (np. an to minimalna liczba ruchów, by przenie±¢

wie»¦ wysoko±ci n w ªamigªówce wie»e z Hanoi).

Denicja. Ci¡g liczb rzeczywistych nazywamy ci¡giem liczbowym. Mówimy, »e (an) to:

• ci¡g arytmetyczny, je±li ró»nica an+1 − an nie zale»y od n;

• ci¡g geometryczny: je±li an 6= 0 oraz iloraz an+1 nie zale»y od n;

an

• ci¡g staªy, je±li warto±¢ an nie zale»y od n;

• ci¡g rosn¡cy lub ci¡g ±ci±le rosn¡cy, je±li an+1 > an dla ka»dego n;

• ci¡g malej¡cy lub ci¡g ±ci±le malej¡cy, je±li an+1 < an dla ka»dego n;

• ci¡g niemalej¡cy lub ci¡g rosn¡cy w szerszym sensie, je±li an+1 ≥ an dla ka»dego n;

• ci¡g nierosn¡cy lub ci¡g malej¡cy w szerszym sensie, je±li an+1 ≤ an dla ka»dego n;

• ci¡g monotoniczny, je±li jest ci¡giem niemalej¡cym lub ci¡giem nierosn¡cym;

• ci¡g ±ci±le monotoniczny, je±li jest ci¡giem rosn¡cym lub ci¡giem malej¡cym;

• ci¡g ograniczony (ogr. z góry, ogr. z doªu), je±li zbiór wyrazów {an : n ∈ N} jest

ograniczony (ogr. z góry, ogr. z doªu).

Przykªad 6.

• Ci¡g (an) dany wzorem an = 2n+3 jest ci¡giem arytmetycznym, rosn¡cym,

ograniczonym z doªu.

• Ci¡g (an) dany wzorem an = 3 · 2−n jest ci¡giem geometrycznym, malej¡cym, ograniczonym.

• Ci¡g (an) dany wzorem an = (−10)n jest ci¡giem geometrycznym, niemonotonicznym,

nieograniczonym.

• Ka»dy ci¡g arytmetyczny jest ci¡giem staªym, rosn¡cym lub malej¡cym.

Przykªad 7 (ci¡g Fibonacciego). Leonardo Fibonacci rozwa»aª w opublikowanym w 1202 roku dziele Liber abaci nast¦puj¡cy uproszczony model rozmna»ania si¦ królików. W pierwszym miesi¡cu jest jedna mªoda para królików i nie ma dojrzaªych królików. Mªode króliki dojrzewaj¡

w ci¡gu jednego miesi¡ca, dorosªe umieraj¡ po kolejnym miesi¡cu, a ka»da para co miesi¡c wydaje na ±wiat par¦ mªodych.

Niech an oznacza liczb¦ mªodych par w n-tym roku, a bn liczb¦ par dorosªych. Wówczas a1 = 1,

an+1 = an + bn,

b1 = 0,

bn+1 = an.

3

Dla n ≥ 3 mamy wi¦c:

an = an−1 + bn−1 = an−1 + an−2

i ponadto a1 = 1, a2 = 1. Rosn¡cy ci¡g liczb caªkowitych (an) nazywany jest ci¡giem Fibonacciego (byª on jednak badany du»o wcze±niej przez matematyków hinduskich).

Denicja. Ci¡g (bn) nazywamy podci¡giem ci¡gu (an), je±li istnieje rosn¡cy ci¡g liczb naturalnych (kn) taki, »e bn = ak dla wszystkich n.

n

Przykªad 8. Je±li an = 2n, bn = 4n, to bn = a2n, wi¦c (bn) jest podci¡giem (an). Podci¡g ci¡gu rosn¡cego jest rosn¡cy, analogiczn¡ wªasno±¢ maj¡ ci¡gi niemalej¡ce, malej¡ce, nierosn¡ce, monotoniczne, ograniczone. Podci¡g (cn) podci¡gu (bn) ci¡gu (an) sam jest podci¡giem ci¡gu (an); je±li bowiem cn = bl , b

, to c

.

n

n = akn

n = akln

Denicja. Mówimy, »e twierdzenie zachodzi dla prawie wszystkich liczb naturalnych,

je±li jest ono nieprawdziwe dla sko«czenie wielu liczb naturalnych. Równowa»nie: twierdzenie zachodzi dla prawie wszystkich liczb naturalnych, je±li istnieje N ∈ N takie, »e twierdzenie zachodzi dla wszystkich n ≥ N.

Przykªad 9. Dla wszystkich liczb naturalnych n zachodzi 2n ≥ n, za± dla prawie wszystkich 2n ≥ n2 (wyj¡tkiem jest n = 3). Równie» dla prawie wszystkich n mamy 2n > n3 nierówno±¢

ta jest faªszywa tylko dla n ∈ {2, 3, ..., 9}. Ogólniej mo»na udowodni¢, »e

dla ka»dego k, dla prawie wszystkich n ∈ N zachodzi 2n ≥ nk.

Warto podkre±li¢, »e kwantykatora dla ka»dego nie mo»na zamieni¢ miejscami z kwantyka-torem dla prawie wszystkich, bowiem zdanie

dla prawie wszystkich n ∈ N, dla ka»dego k zachodzi 2n ≥ nk

jest faªszywe dla dowolnego n > 1 znajdziemy k (np. k = n + 1) takie, »e 2n < nk.

Denicja. Niech (an) b¦dzie ci¡giem elementów przestrzeni metrycznej X z metryk¡ d. Mó-

wimy, »e ci¡g (an) jest zbie»ny do granicy g ∈ X, co zapisujemy w postaci

lim an = g

lub

an → g gdy n → ∞,

n→∞

je±li speªniony jest nast¦puj¡cy warunek:

dla ka»dego ε > 0, warunek d(an, g) < ε zachodzi dla prawie wszystkich n.

(4)

Równowa»nie,

dla ka»dego ε > 0 istnieje N ∈ N takie, »e dla n ≥ N zachodzi d(an, g) < ε,

(5)

lub symbolicznie:

^

_

^

d(an, g) < ε.

ε>0 N ∈N n≥N

Je±li ci¡g nie jest zbie»ny, mówimy, »e jest rozbie»ny.

Uwaga. Cz¦sto wygodnie jest wprost podkre±li¢ zale»no±¢ N od ε, tj. zapisa¢ denicj¦ zbie»no±ci ci¡gu (an) do g w postaci:

^

lim an = g

⇐⇒

istnieje funkcja N taka, »e ^

d(an, g) < ε.

(6)

n→∞

ε>0 n≥N (ε)

4

Twierdzenie. Ka»dy ci¡g ma co najwy»ej jedn¡ granic¦.

Dowód. Je±li g i h s¡ granicami ci¡gu (an), to dowolnego ε > 0, dla prawie wszystkich n: d(g, h) ≤ d(g, an) + d(an, h) < ε + ε = 2ε.

St¡d d(g, h) = 0, czyli g = h.

Twierdzenie. Podci¡g ci¡gu zbie»nego jest zbie»ny do tej samej granicy.

Przypomnijmy, »e je±li nie jest zaznaczone inaczej, dla ci¡gów liczbowych u»ywamy metryki

moduª ró»nicy. Zatem w tym przypadku:

^

_

^

lim an = g

⇐⇒

|an − g| < ε.

n→∞

ε>0 N ∈N n≥N

Przykªad 10. Ci¡g staªy (an), gdzie an = c dla wszystkich n, jest zbie»ny do c w dowolnej metryce.

Przykªad 11. Ci¡g ( 1 ), a wi¦c równie» ka»dy jego podci¡g, jest zbie»ny do zera.

n

Przykªad 12. Ci¡g (an) dany wzorem an = n jest zbie»ny do 1. W istocie, niech ε > 0.

n+1

Zauwa»my, »e

d(a

n

n, 1) =

− 1

.

n+1

=

1

n+1

Aby zachodziªo d(an, 1) < ε, wystarcza n + 1 > 1, zatem w denicji (6) wystaczy wzi¡¢ np.

ε

N (ε) = 1 − 1 (przez dxe oznaczamy najmniejsz¡ liczb¦ caªkowit¡ nie mniejsz¡ od x, czasem ε

nazywan¡ sutem liczby x).

Uwaga. W metryce dyskretnej ρ powy»szy ci¡g (an) nie jest zbie»ny do 1, bowiem ρ(an, 1) = 1.

√

Przykªad 13. Ci¡g (an), gdzie an = n 3, jest zbie»ny do 1. W istocie, an ≥ 1, za± na mocy nierówno±ci Bernoulliego,

s

√

r

2

2 n

2

an = n 3 = n 1 + n ·

≤ n

1 +

= 1 +

.

n

n

n

St¡d |an − 1| ≤ 2 , wi¦c aby |a

.

n

n − 1| < ε wystarcza, »e n > 2

ε

Przykªad 14. Ci¡g (pn) punktów pªaszczyzny R2, pn = (xn, yn), jest zbie»ny w metryce

euklidesowej do granicy g = (a, b) wtedy i tylko wtedy, gdy limn→∞ xn = a oraz limn→∞ yn = b.

Dowód. Niech ε > 0. Je±li d(pn, g) < ε, to równie» |xn − a| < ε oraz |yn − b| < ε. To dowodzi

√

implikacji w jedn¡ stron¦. Podobnie, je±li |xn − a| < ε oraz |yn − b| < ε, to d(pn, g) < 2 ε. Z

tego powodu zbie»no±¢ (xn) do a oraz (yn) do b poci¡ga zbie»no±¢ pn do g w metryce d.

Twierdzenie. Je±li an = bn dla prawie wszystkich n, to (an) jest zbie»ny wtedy i tylko wtedy, gdy (bn) jest zbie»ny, i w tym przypadku oba ci¡gi maj¡ t¦ sam¡ granic¦.

Twierdzenie. Ci¡g (an) jest zbie»ny do g w metryce d wtedy i tylko wtedy, gdy ci¡g liczbowy (d(an, g)) jest zbie»ny do zera.

Denicja. Ci¡g (an) nazywa si¦ ci¡giem podstawowym (lub ci¡giem Cauchy'ego b¡d¹

ci¡giem fundamentalnym), je±li

dla ka»dego ε > 0 istnieje N ∈ N takie, »e dla wszystkich k, l ≥ N zachodzi d(ak, al) < ε.

Symbolicznie:

^

_

^

^

d(ak, al) < ε.

ε>0 N ∈N k≥N l≥N

Twierdzenie. Ka»dy ci¡g zbie»ny jest ci¡giem podstawowym. Podci¡g ci¡gu podstawowego

jest ci¡giem podstawowym. Je±li ci¡g jest podstawowy i zawiera podci¡g zbie»ny do pewnej granicy g, to caªy ci¡g jest zbie»ny do g.

5