Sekwencja określona przez obwody boków foremnych figur, ma granicę równą obwodowi okręgu, tj. Odpowiednia sekwencja dla wielokątów opisanych na okręgu ma taką samą granicę.

Granica ciągu – wartość, w której dowolnym otoczeniu znajdują się prawie wszystkie (tzn. wszystkie poza co najwyżej skończenie wieloma) wyrazy danego ciągu. Inaczej – wartość, dowolnie blisko której leżą wszystkie wyrazy ciągu o dostatecznie dużych wskaźnikach.

n n sin(1/n)
1 0,841471
2 0,958851
...
10 0,998334
...
100 0,999983

Dodatnia liczba całkowita staje się coraz większa, wartość staje się coraz bliższa Mówimy, że granica ciągu jest równa

Granica (właściwa) i zbieżność

Wykres ciągu zbieżnego w kolorze niebieskim. Widzimy, że gdy wzrasta, wartości ciągu zbliżają się do granicy 0.

Niech będzie nieskończonym ciągiem liczb rzeczywistych lub zespolonych. Liczbę nazywa się granicą ciągu jeżeli[1]:

gdzie symbol oznacza wartość bezwzględną liczby rzeczywistej, bądź moduł liczby zespolonej.

W interpretacji geometrycznej powyższa nierówność dla liczb zespolonych oznacza w istocie, że wybrane jw. wyrazy leżą w kole z kolei dla liczb rzeczywistych oznacza ona, że leżą one w przedziale który jest odpowiednikiem koła dla osi liczbowej.

Powyższy formalny warunek można więc wysłowić następująco:

dla dowolnej dodatniej liczby istnieje taki wskaźnik że dla wszystkich wskaźników większych od wyrazy leżą w kole o środku i promieniu

Granicę ciągu oznacza się i czyta się: „limes przy dążącym do nieskończoności” lub po prostu i czyta się: „limes ”, a fakt, że jest granicą ciągu niekiedy oznacza się lub i czyta się: „ciąg dąży do ” lub „ciąg jest zbieżny do ” (można dodać: „przy dążącym do nieskończoności”).

Ciągi mające granice nazywa się zbieżnymi, a pozostałe – rozbieżnymi. Do badania ciągów rozbieżnych stosuje się pojęcie granicy górnej i dolnej, czyli największej i najmniejszej spośród wszystkich granic jego podciągów zbieżnych. Ciąg liczb rzeczywistych jest zbieżny wtedy i tylko wtedy, gdy jego granice górna i dolna są sobie równe. Przydatne jest też pojęcie punktu skupienia. Jest ono uogólnieniem pojęcia granicy, bowiem każda granica jest punktem skupienia, ale nie na odwrót.

Niekiedy, dla odróżnienia od granicy niewłaściwej opisanej w kolejnej sekcji, granicę ciągu zbieżnego do pewnej liczby rzeczywistej lub zespolonej (nazywanej wtedy „skończoną”, w przeciwieństwie do dwóch lub jednej „liczb nieskończonych”) nazywa się granicą właściwą.

Granice niewłaściwe

 Główny artykuł: Granica niewłaściwa funkcji.

Dla niektórych rozbieżnych ciągów nieskończonych wprowadza się pojęcie granicy niewłaściwej. Chodzi o ciągi, których wyrazy rosną lub maleją nieograniczenie; o takich ciągach mówi się także, że dążą one do nieskończoności.

Liczby rzeczywiste

Jeżeli jest ciągiem liczb rzeczywistych i wszystkie jego wyrazy o indeksach większych od odpowiednio dużego są większe od dowolnej z góry wybranej liczby, to mówi się, że ciąg ma granicę niewłaściwą w bądź że jest rozbieżny do

Jeżeli zaś są mniejsze od dowolnej z góry wybranej liczby, to mówi się, że ma on granicę niewłaściwą w lub że jest rozbieżny do

Formalnie można to zapisać tak:

ciąg o wyrazach rzeczywistych ma
  • granicę niewłaściwą w , jeżeli
  • granicę niewłaściwą w , jeżeli
Liczby zespolone

Jeżeli jest ciągiem liczb zespolonych i wszystkie jego wyrazy o indeksach większych od odpowiednio dużego są większe co do modułu od dowolnej z góry wybranej liczby rzeczywistej, to mówi się, że ciąg ma granicę niewłaściwą w bądź że jest rozbieżny do

Formalnie:

ciąg o wyrazach zespolonych ma
  • granicę niewłaściwą w , jeżeli Tutaj oznacza moduł liczb zespolonych.

Geometrycznie można to ująć w następujący sposób:

ciąg ma granicę niewłaściwą, jeśli dla dowolnie dużego koła o środku w prawie wszystkie wyrazy ciągu leżą na zewnątrz tego koła.

Wprowadzoną powyżej definicję rozbieżności ciągów zespolonych można bez zmian zastosować dla ciągów rzeczywistych, zastępując jedynie moduł liczby zespolonej wartością bezwzględną liczby rzeczywistej. W praktyce jednak tej definicji nie stosuje się, bowiem traci się wówczas możliwość rozróżniania kierunku (zwrotu) rozbieżności ciągu.

Przykłady

  • Granicą ciągu jest liczba W ogólności granicą ciągu skończonego jest jego ostatni wyraz.
  • Granicą ciągu jest
    Dla dowolnego wystarczy za wziąć dowolną liczbę naturalną większą od [a] Wówczas dla dowolnego wskaźnika otrzymuje się czyli
    Przykładowo dla wszystkie wyrazy ciągu oddalone są od zera o nie więcej niż
  • Granicą ciągu jest
    Dla dowolnego wystarczy za wziąć dowolną liczbę naturalną większą od Wtedy dla dowolnego indeksu zachodzi czyli skąd
    Przykładowo dla wszystkie wyrazy ciągu są oddalone od jedynki nie więcej niż o
  • Ciąg jest rozbieżny, ale ma granicę niewłaściwą
  • Ciąg jest rozbieżny i nie ma granicy niewłaściwej ani ale traktowany jako ciąg liczb zespolonych ma granicę niewłaściwą (w sensie definicji dla ciągów zespolonych); podciąg jest zbieżny do natomiast podciąg jest zbieżny do
  • Ciągi oraz są rozbieżne i nie mają żadnej granicy – ani właściwej, ani niewłaściwej, przy czym ich granicami dolną i górną są odpowiednio oraz w obu przypadkach liczby te są punktami skupienia tych ciągów.
  • Ciąg gdzie oznacza część ułamkową liczby, ma granicę dolną i górną każdy punkt przedziału jest punktem skupienia.
  • Ciąg liczb zespolonych nie ma granicy (ani właściwej ani niewłaściwej), ma jednak 4 punkty skupienia.
  • Ciąg liczb zespolonych ma granicę niewłaściwą

Własności

Wykres ciągu Cauchy’ego oznaczono niebieskim kolorem (indeks na osi odciętych, wartość na osi rzędnych). Widzimy, że sekwencja wydaje się zbiegać do punktu granicznego, ponieważ wyrazy ciągu zbliżają się do siebie wraz ze wzrostem W liczbach rzeczywistych każdy ciąg Cauchy’ego zbiega się do pewnej granicy.
  • Ciąg ma najwyżej jedną granicę (właściwą).
  • Jeśli ciąg ma granicę właściwą, to jest on ograniczony[b][2]. Jeśli ciąg liczb rzeczywistych bądź zespolonych ma granicę niewłaściwą, to jest nieograniczony.
  • Dowolny nieskończony podciąg ciągu zbieżnego jest zbieżny do tej samej granicy.
  • Jeśli ciągi i są zbieżne oraz dla każdego naturalnego to
  • Twierdzenie o trzech ciągach: jeśli ciągi i są zbieżne do wspólnej granicy przy czym dla każdego naturalnego to ciąg również jest zbieżny i to do granicy
  • Jeśli ciągi są ciągami zbieżnymi odpowiednio do oraz do to wykonalne są działania:
    • o ile tylko oraz dla każdego
  • Twierdzenie Bolzana-Weierstrassa: z każdego rzeczywistego lub zespolonego ciągu ograniczonego można wybrać podciąg zbieżny.
  • Każdy ciąg liczb rzeczywistych monotoniczny i ograniczony ma granicę[c][d].

Zbieżność w przestrzeniach metrycznych

Pojęcie granicy ciągu można wprowadzić w dowolnej przestrzeni metrycznej. Wystarczy w definicji granicy zastąpić wartość bezwzględną (moduł) różnicy dwóch liczb odległością według metryki danej przestrzeni. Niech będzie przestrzenią metryczną. Ciąg elementów tej przestrzeni jest zbieżny do jeśli:

Warunkiem równoważnym zbieżności ciągu jest żądanie, by ciąg gdzie był zbieżny do zera[1].

Zbieżność w przestrzeni metrycznej można wyrazić:

ciąg jest zbieżny do jeśli w dowolnej kuli o środku w mieszczą się prawie wszystkie wyrazy ciągu

Jeśli ciąg (w przestrzeni metrycznej) jest zbieżny, to jest ciągiem Cauchy’ego (w przypadku ciągów liczbowych rzeczywistych lub zespolonych zachodzi również twierdzenie odwrotne, to znaczy powyższe warunki są równoważne).

Przykłady

  • Zbiór jako przestrzeń metryczna z metryką Podobnie ze zbiorem
  • Zbiór liczb wymiernych jako przestrzeń metryczna z metryką W tej przestrzeni np. ciąg nie jest zbieżny, chociaż jest rosnący i ograniczony.
  • Przestrzeniach liniowa z normą jeśli przyjąć jako metrykę
  • Przestrzeń, której elementami są punkty płaszczyzny o współrzędnych całkowitych, z odległością naturalną. W tej przestrzeni metrycznej ciąg jest zbieżny wtedy i tylko wtedy, gdy od pewnego wskaźnika począwszy jest stały.

Zbieżność w przestrzeniach topologicznych

Pojęcie granicy ciągu można wprowadzić w jeszcze ogólniejszych przestrzeniach topologicznych przez zastąpienie kul otoczeniami.

Niech będzie przestrzenią topologiczną. Ciąg elementów tej przestrzeni jest zbieżny do jeśli

co można wyrazić:

dla dowolnego otoczenia punktu istnieje taki wskaźnik że dla wszystkich wskaźników wyrazy leżą w otoczeniu

lub inaczej:

w dowolnym otoczeniu punktu mieszczą się prawie wszystkie wyrazy ciągu

W przestrzeniach Hausdorffa (którymi są m.in. przestrzenie liczb rzeczywistych lub zespolonych) każdy ciąg może być zbieżny do najwyżej jednego punktu[f].

Przykłady

  • Zbiór z topologią, w której bazą jest zbiór przedziałów otwartych Podobnie ze zbiorem tutaj bazą może być zbiór kół otwartych postaci lub prostokątów postaci
  • Dowolna przestrzeń z topologią antydyskretną. Tutaj każdy ciąg jest ciągiem zbieżnym.
  • (Uzwarcenie prostej. 1 sposób) Przestrzeń topologiczna uzupełniona o dwa elementy z bazą otoczeń uzupełnioną o zbiory postaci oraz Są to otoczenia otwarte punktów odpowiednio i Wówczas zbieżność ciągu do punktu w sensie definicji topologicznej odpowiada rozbieżności ciągu do granicy niewłaściwej Analogicznie dla zbieżności do punktu W wyniku rozbudowy przestrzeni topolicznej do powstaje przestrzeń homeomorficzna z odcinkiem domkniętym oznaczana zazwyczaj
  • (Uzwarcenie płaszczyzny) Przestrzeń topologiczna uzupełniona o element z bazą otoczeń w postaci kół uzupełnioną o zbiory postaci (zewnętrza kół) lub z bazą w postaci prostokątów uzupełnioną o zbiory postaci (zewnętrza prostokątów). Są to otoczenia otwarte punktu Wówczas zbieżność ciągu zespolonego do punktu w sensie definicji topologicznej odpowiada rozbieżności ciągu do granicy niewłaściwej W wyniku rozbudowy przestrzeni topolicznej do powstaje przestrzeń homeomorficzna ze sferą oznaczana zazwyczaj lub
  • (Uzwarcenie prostej. 2 sposób) Przestrzeń topologiczna uzupełniona element z bazą otoczeń uzupełnioną o zbiory postaci Są to otoczenia otwarte punktu Wówczas zbieżność ciągu do punktu w sensie definicji topologicznej odpowiada rozbieżności ciągu do granicy niewłaściwej W wyniku rozbudowy przestrzeni topolicznej do powstaje przestrzeń homeomorficzna z okręgiem oznaczana zazwyczaj lub

Historia

Zenon z Elei znany jest ze sformułowania paradoksów, które wykorzystują przejścia graniczne. Leucyp z Miletu, Demokryt z Abdery, Antyfont z Ramnus, Eudoksos z Knidos i Archimedes z Syrakuz wynaleźli metodę wyczerpywania, która wykorzystuje ciąg przybliżeń umożliwiający wyznaczenie powierzchni bądź objętości; ostatniemu z nich znane było również sumowanie, które dziś nazywane jest szeregiem geometrycznym.

Isaac Newton zajmował się szeregami w swoich dziełach dotyczących analizy szeregów nieskończonych (Analysis with infinite series, napisane w 1669 roku, najpierw krążyło jako manuskrypt, opublikowano w 1711 roku), metodzie fluksji i szeregach nieskończonych (Method of fluxions and infinite series, napisane w 1671 roku, wydane w tłumaczeniu angielskim w 1736 roku; oryginał łaciński wydano znacznie później) i traktacie o krzywych kwadratowych (Tractatus de Quadratura Curvarum, napisane w 1693 roku, a opublikowane w 1704 roku jako dodatek do jego Optiks), później rozważał on rozwinięcie dwumienne które linearyzuje, biorąc granice, tzn. przyjmując

Osiemnastowiecznym matematykom, takim jak Leonhard Euler, udawało się zsumować pewne szeregi rozbieżne dzięki „zatrzymaniu się w odpowiednim momencie”; nie interesowali się oni nadto tym, czy granica istnieje, o ile tylko mogła być ona obliczona. Pod koniec XVIII wieku Joseph Louis Lagrange w swojej pracy Théorie des fonctions analytiques (1797) stwierdził, że brak rygoru przeszkadza w rozwoju analizy. Carl Friedrich Gauss w dziele o szeregach hipergeometrycznych (1813) po raz pierwszy zbadał w sposób rygorystyczny pod jakimi warunkami szereg zbiega do granicy.

Współczesną definicję granicy (dla każdego istnieje taki wskaźnik że…) niezależnie podali:

Zobacz też

Uwagi

  1. Można tu skorzystać z aksjomatu Archimedesa.
  2. Dowód: niech dany będzie ciąg zbieżny do Niech Wtedy z definicji zbieżności istnieje takie że dla każdego zachodzi Z własności wartości bezwzględnej otrzymujemy:
    co oznacza, że
    Połóżmy teraz Zbiór ten jest skończony, a zatem istnieje jedno wspólne ograniczenie wszystkich elementów co oznacza, że jest on ograniczony.
  3. Dowód: Niech będzie ciągiem rosnącym (rozumowanie dla malejącego jest analogiczne). Z założenia zbiór ma ograniczenie, a zatem posiada kres górny Wybierzmy Z własności kresu górnego istnieje takie dla którego zachodzi Dla dzięki monotoniczności, mamy
    a jednocześnie
    co oznacza, że
    ale to dowodzi, że jest granicą ciągu
  4. Warunek ten jest w istocie jedną z wersji aksjomatu ciągłości zbioru liczb rzeczywistych.
  5. Implikacja: jeśli ciąg jest ciągiem Cauchy’ego, to jest zbieżny oznacza, że zbiór liczb rzeczywistych i liczb zespolonych jest przestrzenią zupełną. Usunięcie z tych zbiorów jakiegokolwiek punktu powoduje utratę tej własności.
  6. W przestrzeniach, które nie są Hausdorffa, mogą istnieć ciągi zbieżne do większej liczby różnych punktów, wtedy granicą nazywa się zbiór takich punktów.

Przypisy

  1. a b granica, [w:] Encyklopedia PWN [dostęp 2021-09-30].
  2. Tadeusz Krasiński: Analiza matematyczna. Funkcje jednej zmiennej. Wydawnictwo Uniwersytetu Łódzkiego, 2003, s. 54–56. ISBN 83-7171-636-2.

Linki zewnętrzne

  • Marta Szumańska, Zbieżność, [w:] pismo „Delta”, deltami.edu.pl, kwiecień 2019, ISSN 0137-3005 [dostęp 2022-07-19] (pol.).

Witaj

Uczę się języka hebrajskiego. Tutaj go sobie utrwalam.

Źródło

Zawartość tej strony pochodzi stąd.

Odsyłacze

Generator Margonem

Podziel się