В математика , то Теорема Штольца – Чезаро является критерием доказательства сходимость последовательности . Теорема названа в честь математики Отто Штольц и Эрнесто Сезаро , который это впервые заявил и доказал.
Теорема Штольца – Чезаро может рассматриваться как обобщение Чезаро среднее , но и как Правило л'Опиталя для последовательностей.
Формулировка теоремы для ∙/∞ дело
Позволять ( а п ) п ≥ 1 { Displaystyle (а_ {п}) _ {п geq 1}} и ( б п ) п ≥ 1 { displaystyle (b_ {n}) _ {n geq 1}} быть двумя последовательности из действительные числа . Предположить, что ( б п ) п ≥ 1 { displaystyle (b_ {n}) _ {n geq 1}} это строго монотонный и расходящаяся последовательность (т.е. строго возрастающий и приближается + ∞ { displaystyle + infty} , или же строго убывающий и приближается − ∞ { displaystyle - infty} ) и следующие предел существуют:
Lim п → ∞ а п + 1 − а п б п + 1 − б п = л . { displaystyle lim _ {n to infty} { frac {a_ {n + 1} -a_ {n}} {b_ {n + 1} -b_ {n}}} = l. } Тогда предел
Lim п → ∞ а п б п = л . { displaystyle lim _ {n to infty} { frac {a_ {n}} {b_ {n}}} = l. } Формулировка теоремы для 0/0 дело
Позволять ( а п ) п ≥ 1 { Displaystyle (а_ {п}) _ {п geq 1}} и ( б п ) п ≥ 1 { displaystyle (b_ {n}) _ {n geq 1}} быть двумя последовательности из действительные числа . Предположим теперь, что ( а п ) → 0 { displaystyle (a_ {n}) to 0} и ( б п ) → 0 { displaystyle (b_ {n}) to 0} пока ( б п ) п ≥ 1 { displaystyle (b_ {n}) _ {n geq 1}} является строго монотонный . Если
Lim п → ∞ а п + 1 − а п б п + 1 − б п = л , { displaystyle lim _ {n to infty} { frac {a_ {n + 1} -a_ {n}} {b_ {n + 1} -b_ {n}}} = l, } тогда
Lim п → ∞ а п б п = л . { displaystyle lim _ {n to infty} { frac {a_ {n}} {b_ {n}}} = l. } [1] Доказательства
Доказательство теоремы для ⋅ / ∞ { Displaystyle cdot / infty} дело Случай 1: предполагать ( б п ) { displaystyle (b_ {n})} строго возрастает и расходится с + ∞ { displaystyle + infty} , и л < ∞ { Displaystyle л < infty} . По предположению у нас есть это для всех ϵ / 2 > 0 { displaystyle epsilon / 2> 0} Существует ν > 0 { displaystyle nu> 0} такой, что ∀ п > ν { displaystyle forall n> nu}
| а п + 1 − а п б п + 1 − б п − л | < ϵ 2 , { displaystyle left | , { frac {a_ {n + 1} -a_ {n}} {b_ {n + 1} -b_ {n}}} - l , right | <{ frac { epsilon} {2}},} что сказать
л − ϵ / 2 < а п + 1 − а п б п + 1 − б п < л + ϵ / 2 , ∀ п > ν . { displaystyle l- epsilon / 2 <{ frac {a_ {n + 1} -a_ {n}} {b_ {n + 1} -b_ {n}}} nu.} С ( б п ) { displaystyle (b_ {n})} строго возрастает, б п + 1 − б п > 0 { displaystyle b_ {n + 1} -b_ {n}> 0} , и имеет место
( л − ϵ / 2 ) ( б п + 1 − б п ) < а п + 1 − а п < ( л + ϵ / 2 ) ( б п + 1 − б п ) , ∀ п > ν { displaystyle (l- epsilon / 2) (b_ {n + 1} -b_ {n}) nu} .Затем мы замечаем, что
а п = [ ( а п − а п − 1 ) + ⋯ + ( а ν + 2 − а ν + 1 ) ] + а ν + 1 { displaystyle a_ {n} = [(a_ {n} -a_ {n-1}) + dots + (a _ { nu +2} -a _ { nu +1})] + a _ { nu + 1}} таким образом, применяя указанное выше неравенство к каждому слагаемому в квадратных скобках, получаем
( л − ϵ / 2 ) ( б п − б ν + 1 ) + а ν + 1 = ( л − ϵ / 2 ) [ ( б п − б п − 1 ) + ⋯ + ( б ν + 2 − б ν + 1 ) ] + а ν + 1 < а п а п < ( л + ϵ / 2 ) [ ( б п − б п − 1 ) + ⋯ + ( б ν + 2 − б ν + 1 ) ] + а ν + 1 = ( л + ϵ / 2 ) ( б п − б ν + 1 ) + а ν + 1 . { displaystyle { begin {align} & (l- epsilon / 2) (b_ {n} -b _ { nu +1}) + a _ { nu +1} = (l- epsilon / 2) [ (b_ {n} -b_ {n-1}) + dots + (b _ { nu +2} -b _ { nu +1})] + a _ { nu +1} Теперь, поскольку б п → + ∞ { displaystyle b_ {n} к + infty} в качестве п → ∞ { Displaystyle п к infty} , существует п 0 > 0 { displaystyle n_ {0}> 0} такой, что б п ⪈ 0 { displaystyle b_ {n} gneq 0} для всех п > п 0 { displaystyle n> n_ {0}} , и мы можем разделить два неравенства на б п { displaystyle b_ {n}} для всех п > Максимум { ν , п 0 } { Displaystyle п> макс { ню, п_ {0} }}
( л − ϵ / 2 ) + а ν + 1 − б ν + 1 ( л − ϵ / 2 ) б п < а п б п < ( л + ϵ / 2 ) + а ν + 1 − б ν + 1 ( л + ϵ / 2 ) б п . { displaystyle (l- epsilon / 2) + { frac {a _ { nu +1} -b _ { nu +1} (l- epsilon / 2)} {b_ {n}}} <{ гидроразрыв {a_ {n}} {b_ {n}}} <(l + epsilon / 2) + { frac {a _ { nu +1} -b _ { nu +1} (l + epsilon / 2)} {b_ {n}}}.} Две последовательности (которые определены только для п > п 0 { displaystyle n> n_ {0}} как мог быть N ≤ п 0 { displaystyle N leq n_ {0}} такой, что б N = 0 { displaystyle b_ {N} = 0} )
c п ± := а ν + 1 − б ν + 1 ( л ± ϵ / 2 ) б п { displaystyle c_ {n} ^ { pm}: = { frac {a _ { nu +1} -b _ { nu +1} (l pm epsilon / 2)} {b_ {n}}} } бесконечно малы, поскольку б п → + ∞ { displaystyle b_ {n} к + infty} а числитель - постоянное число, поэтому для всех ϵ / 2 > 0 { displaystyle epsilon / 2> 0} существуют п ± > п 0 > 0 { displaystyle n _ { pm}> n_ {0}> 0} , так что
| c п + | < ϵ / 2 , ∀ п > п + , | c п − | < ϵ / 2 , ∀ п > п − , { displaystyle { begin {align} & | c_ {n} ^ {+} | < epsilon / 2, quad forall n> n _ {+}, & | c_ {n} ^ {-} | < epsilon / 2, quad forall n> n _ {-}, end {align}}} следовательно
л − ϵ < л − ϵ / 2 + c п − < а п б п < л + ϵ / 2 + c п + < л + ϵ , ∀ п > Максимум { ν , п ± } =: N > 0 , { displaystyle l- epsilon max lbrace nu, n _ { pm} rbrace =: N> 0,} что завершает доказательство. Случай с ( б п ) { displaystyle (b_ {n})} строго убывающий и расходящийся − ∞ { displaystyle - infty} , и л < ∞ { Displaystyle л < infty} похож.
Случай 2: мы предполагаем ( б п ) { displaystyle (b_ {n})} строго возрастает и расходится с + ∞ { displaystyle + infty} , и л = + ∞ { displaystyle l = + infty} . Действуя как прежде, для всех 3 2 M > 0 { displaystyle { frac {3} {2}} M> 0} Существует ν > 0 { displaystyle nu> 0} такой, что для всех п > ν { Displaystyle п> ню}
а п + 1 − а п б п + 1 − б п > 3 2 M . { displaystyle { frac {a_ {n + 1} -a_ {n}} {b_ {n + 1} -b_ {n}}}> { frac {3} {2}} M.} Опять же, применяя указанное выше неравенство к каждому члену в квадратных скобках, получаем
а п > 3 2 M ( б п − б ν + 1 ) + а ν + 1 , ∀ п > ν , { displaystyle a_ {n}> { frac {3} {2}} M (b_ {n} -b _ { nu +1}) + a _ { nu +1}, quad forall n> nu ,} и
а п б п > 3 2 M + а ν + 1 − 3 2 M б ν + 1 б п , ∀ п > Максимум { ν , п 0 } . { displaystyle { frac {a_ {n}} {b_ {n}}}> { frac {3} {2}} M + { frac {a _ { nu +1} - { frac {3} { 2}} Mb _ { nu +1}} {b_ {n}}}, quad forall n> max { nu, n_ {0} }.}. Последовательность ( c п ) п > п 0 { displaystyle (c_ {n}) _ {n> n_ {0}}} определяется
c п := а ν + 1 − 3 2 M б ν + 1 б п { displaystyle c_ {n}: = { frac {a _ { nu +1} - { frac {3} {2}} Mb _ { nu +1}} {b_ {n}}}} бесконечно мала, поэтому
∀ M / 2 > 0 ∃ п ¯ > п 0 > 0 такой, что − M / 2 < c п < M / 2 , ∀ п > п ¯ , { displaystyle forall M / 2> 0 , exists { bar {n}}> n_ {0}> 0 { text {такой, что}} - M / 2 { bar {n}},} комбинируя это неравенство с предыдущим, заключаем
а п б п > 3 2 M + c п > M , ∀ п > Максимум { ν , п ¯ } =: N . { displaystyle { frac {a_ {n}} {b_ {n}}}> { frac {3} {2}} M + c_ {n}> M, quad forall n> max { nu, { bar {n}} } =: N.} Доказательства остальных случаев с ( б п ) { displaystyle (b_ {n})} строго возрастающий или убывающий и приближающийся + ∞ { displaystyle + infty} или же − ∞ { displaystyle - infty} соответственно и л = ± ∞ { displaystyle l = pm infty} все поступают таким же образом.
Доказательство теоремы для 0 / 0 { displaystyle 0/0} дело Случай 1: сначала рассмотрим случай с л < ∞ { Displaystyle л < infty} и ( б п ) { displaystyle (b_ {n})} строго возрастает. На этот раз для каждого м > 0 { displaystyle m> 0} , мы можем написать
а п = ( а п − а п − 1 ) + ⋯ + ( а м + ν + 1 − а м + ν ) + а м + ν , { displaystyle a_ {n} = (a_ {n} -a_ {n-1}) + dots + (a_ {m + nu +1} -a_ {m + nu}) + a_ {m + nu}, } и
( л − ϵ / 2 ) ( б п − б ν + м ) + а ν + м = ( л − ϵ / 2 ) [ ( б п − б п − 1 ) + ⋯ + ( б ν + м + 1 − б ν + м ) ] + а ν + м < а п а п < ( л + ϵ / 2 ) [ ( б п − б п − 1 ) + ⋯ + ( б ν + м + 1 − б ν + м ) ] + а ν + м = ( л + ϵ / 2 ) ( б п − б ν + м ) + а ν + м . { displaystyle { begin {align} & (l- epsilon / 2) (b_ {n} -b _ { nu + m}) + a _ { nu + m} = (l- epsilon / 2) [ (b_ {n} -b_ {n-1}) + dots + (b _ { nu + m + 1} -b _ { nu + m})] + a _ { nu + m} Две последовательности
c м ± := а ν + м − б ν + м ( л ± ϵ / 2 ) б п { displaystyle c_ {m} ^ { pm}: = { frac {a _ { nu + m} -b _ { nu + m} (l pm epsilon / 2)} {b_ {n}}} } бесконечно малы, поскольку по гипотезе а м , б м → 0 { displaystyle a_ {m}, b_ {m} to 0} , таким образом, для всех ϵ / 2 > 0 { displaystyle epsilon / 2> 0} Существуют п ± > 0 { displaystyle n ^ { pm}> 0} такой, что
| c м + | < ϵ / 2 , ∀ м > п + , | c м − | < ϵ / 2 , ∀ м > п − , { displaystyle { begin {align} & | c_ {m} ^ {+} | < epsilon / 2, quad forall m> n _ {+}, & | c_ {m} ^ {-} | < epsilon / 2, quad forall m> n _ {-}, end {align}}} таким образом, выбирая м { displaystyle m} соответствующим образом (то есть, взяв предел относительно м { displaystyle m} ) мы получаем
л − ϵ < л − ϵ / 2 + c м − < а п б п < л + ϵ / 2 + c м + < л + ϵ , ∀ п > Максимум { ν , п 0 } , { displaystyle l- epsilon max { nu, n_ {0} },} что завершает доказательство.
Случай 2: мы предполагаем л = + ∞ { displaystyle l = + infty} и ( б п ) { displaystyle (b_ {n})} строго возрастает. Для всех 3 2 M > 0 { displaystyle { frac {3} {2}} M> 0} Существует ν > 0 { displaystyle nu> 0} такой, что для всех п > ν { Displaystyle п> ню}
а п + 1 − а п б п + 1 − б п > 3 2 M . { displaystyle { frac {a_ {n + 1} -a_ {n}} {b_ {n + 1} -b_ {n}}}> { frac {3} {2}} M.} Следовательно, для каждого м > 0 { displaystyle m> 0}
а п б п > 3 2 M + а ν + м − 3 2 M б ν + м б п , ∀ п > Максимум { ν , п 0 } . { displaystyle { frac {a_ {n}} {b_ {n}}}> { frac {3} {2}} M + { frac {a _ { nu + m} - { frac {3} { 2}} Mb _ { nu + m}} {b_ {n}}}, quad forall n> max { nu, n_ {0} }.}. Последовательность
c м := а ν + м − 3 2 M б ν + м б п { displaystyle c_ {m}: = { frac {a _ { nu + m} - { frac {3} {2}} Mb _ { nu + m}} {b_ {n}}}} сходится к 0 { displaystyle 0} (сохраняя п { displaystyle n} фиксировано), поэтому
∀ M / 2 > 0 ∃ п ¯ > 0 такой, что − M / 2 < c м < M / 2 , ∀ м > п ¯ , { displaystyle forall M / 2> 0 , exists { bar {n}}> 0 { text {такой, что}} - M / 2 { bar {n}},} и, выбирая м { displaystyle m} Удобно завершаем доказательство
а п б п > 3 2 M + c м > M , ∀ п > Максимум { ν , п 0 } . { displaystyle { frac {a_ {n}} {b_ {n}}}> { frac {3} {2}} M + c_ {m}> M, quad forall n> max { nu, n_ {0} }.} Приложения и примеры
Теорема о ⋅ / ∞ { Displaystyle cdot / infty} case имеет несколько заметных последствий, которые полезны при вычислении пределов.
Среднее арифметическое Позволять ( Икс п ) { displaystyle (x_ {n})} последовательность действительных чисел, сходящаяся к л { displaystyle l} , определять
а п := ∑ м = 1 п Икс м = Икс 1 + ⋯ + Икс п , б п := п { displaystyle a_ {n}: = sum _ {m = 1} ^ {n} x_ {m} = x_ {1} + dots + x_ {n}, quad b_ {n}: = n} тогда ( б п ) { displaystyle (b_ {n})} строго возрастает и расходится в + ∞ { displaystyle + infty} . Мы вычисляем
Lim п → ∞ а п + 1 − а п б п + 1 − б п = Lim п → ∞ Икс п + 1 = Lim п → ∞ Икс п = л { displaystyle lim _ {n to infty} { frac {a_ {n + 1} -a_ {n}} {b_ {n + 1} -b_ {n}}} = lim _ {n to infty} x_ {n + 1} = lim _ {n to infty} x_ {n} = l} следовательно
Lim п → ∞ Икс 1 + ⋯ + Икс п п = Lim п → ∞ Икс п . { displaystyle lim _ {n to infty} { frac {x_ {1} + dots + x_ {n}} {n}} = lim _ {n to infty} x_ {n}. } Учитывая любую последовательность ( Икс п ) п ≥ 1 { Displaystyle (х_ {п}) _ {п geq 1}} действительных чисел, предположим, что
Lim п → ∞ Икс п { Displaystyle lim _ {п к infty} x_ {n}} существует (конечный или бесконечный), то
Lim п → ∞ Икс 1 + ⋯ + Икс п п = Lim п → ∞ Икс п . { displaystyle lim _ {n to infty} { frac {x_ {1} + dots + x_ {n}} {n}} = lim _ {n to infty} x_ {n}. } Среднее геометрическое Позволять ( Икс п ) { displaystyle (x_ {n})} последовательность положительных действительных чисел, сходящаяся к л { displaystyle l} и определить
а п := бревно ( Икс 1 ⋯ Икс п ) , б п := п , { displaystyle a_ {n}: = log (x_ {1} cdots x_ {n}), quad b_ {n}: = n,} снова мы вычисляем
Lim п → ∞ а п + 1 − а п б п + 1 − б п = Lim п → ∞ бревно ( Икс 1 ⋯ Икс п + 1 Икс 1 ⋯ Икс п ) = Lim п → ∞ бревно ( Икс п + 1 ) = Lim п → ∞ бревно ( Икс п ) = бревно ( л ) , { displaystyle lim _ {n to infty} { frac {a_ {n + 1} -a_ {n}} {b_ {n + 1} -b_ {n}}} = lim _ {n в infty} log { Big (} { frac {x_ {1} cdots x_ {n + 1}} {x_ {1} cdots x_ {n}}} { Big)} = lim _ {n to infty} log (x_ {n + 1}) = lim _ {n to infty} log (x_ {n}) = log (l),} где мы использовали тот факт, что логарифм непрерывно. Таким образом
Lim п → ∞ бревно ( Икс 1 ⋯ Икс п ) п = Lim п → ∞ бревно ( ( Икс 1 ⋯ Икс п ) 1 п ) = бревно ( л ) , { displaystyle lim _ {n to infty} { frac { log (x_ {1} cdots x_ {n})} {n}} = lim _ {n to infty} log { Big (} (x_ {1} cdots x_ {n}) ^ { frac {1} {n}} { Big)} = log (l),} поскольку логарифм непрерывен и инъективен, мы можем заключить, что
Lim п → ∞ Икс 1 ⋯ Икс п п = Lim п → ∞ Икс п { displaystyle lim _ {n to infty} { sqrt [{n}] {x_ {1} cdots x_ {n}}} = lim _ {n to infty} x_ {n}} .Учитывая любую последовательность ( Икс п ) п ≥ 1 { Displaystyle (х_ {п}) _ {п geq 1}} (строго) положительных действительных чисел, предположим, что
Lim п → ∞ Икс п { Displaystyle lim _ {п к infty} x_ {n}} существует (конечный или бесконечный), то
Lim п → ∞ Икс 1 ⋯ Икс п п = Lim п → ∞ Икс п . { displaystyle lim _ {n to infty} { sqrt [{n}] {x_ {1} cdots x_ {n}}} = lim _ {n to infty} x_ {n}. } Предположим, нам дана последовательность ( у п ) п ≥ 1 { Displaystyle (у_ {п}) _ {п geq 1}} и нас просят вычислить
Lim п → ∞ у п п , { displaystyle lim _ {n to infty} { sqrt [{n}] {y_ {n}}},} определение у 0 = 1 { displaystyle y_ {0} = 1} и Икс п = у п / у п − 1 { displaystyle x_ {n} = y_ {n} / y_ {n-1}} мы получаем
Lim п → ∞ Икс 1 … Икс п п = Lim п → ∞ у 1 … у п у 0 ⋅ у 1 … у п − 1 п = Lim п → ∞ у п п , { displaystyle lim _ {n to infty} { sqrt [{n}] {x_ {1} dots x_ {n}}} = lim _ {n to infty} { sqrt [{ n}] { frac {y_ {1} dots y_ {n}} {y_ {0} cdot y_ {1} dots y_ {n-1}}}} = lim _ {n to infty } { sqrt [{n}] {y_ {n}}},} если мы применим свойство выше
Lim п → ∞ у п п = Lim п → ∞ Икс п = Lim п → ∞ у п у п − 1 . { displaystyle lim _ {n to infty} { sqrt [{n}] {y_ {n}}} = lim _ {n to infty} x_ {n} = lim _ {n в infty} { frac {y_ {n}} {y_ {n-1}}}.} Эта последняя форма обычно наиболее полезна для вычисления пределов.
Учитывая любую последовательность ( у п ) п ≥ 1 { Displaystyle (у_ {п}) _ {п geq 1}} (строго) положительных действительных чисел, предположим, что
Lim п → ∞ у п + 1 у п { displaystyle lim _ {n to infty} { frac {y_ {n + 1}} {y_ {n}}}} существует (конечный или бесконечный), то
Lim п → ∞ у п п = Lim п → ∞ у п + 1 у п . { displaystyle lim _ {n to infty} { sqrt [{n}] {y_ {n}}} = lim _ {n to infty} { frac {y_ {n + 1}} {y_ {n}}}.} Примеры Пример 1 Lim п → ∞ п п = Lim п → ∞ п + 1 п = 1. { displaystyle lim _ {n to infty} { sqrt [{n}] {n}} = lim _ {n to infty} { frac {n + 1} {n}} = 1 .} Пример 2 Lim п → ∞ п ! п п = Lim п → ∞ ( п + 1 ) ! ( п п ) п ! ( п + 1 ) п + 1 = Lim п → ∞ п п ( п + 1 ) п = Lim п → ∞ 1 ( 1 + 1 п ) п = 1 е . { Displaystyle { begin {align} lim _ {n to infty} { frac { sqrt [{n}] {n!}} {n}} & = lim _ {n to infty } { frac {(n + 1)! (n ^ {n})} {n! (n + 1) ^ {n + 1}}} & = lim _ {n to infty} { frac {n ^ {n}} {(n + 1) ^ {n}}} = lim _ {n to infty} { frac {1} {(1 + { frac {1} {n }}) ^ {n}}} = { frac {1} {e}}. end {align}}} мы использовали представление е { displaystyle e} как предел последовательности на последнем этапе.
Пример 3 Lim п → ∞ бревно ( п ! ) п бревно ( п ) = Lim п → ∞ бревно ( п ! п ) бревно ( п ) , { displaystyle lim _ {n to infty} { frac { log (n!)} {n log (n)}} = lim _ {n to infty} { frac { log ({ sqrt [{n}] {n!}})} { log (n)}},} Заметь
Lim п → ∞ п ! п = Lim п → ∞ ( п + 1 ) ! п ! = Lim п → ∞ ( п + 1 ) { displaystyle lim _ {n to infty} { sqrt [{n}] {n!}} = lim _ {n to infty} { frac {(n + 1)!} {n !}} = lim _ {n to infty} (n + 1)} следовательно
Lim п → ∞ бревно ( п ! ) п бревно ( п ) = Lim п → ∞ бревно ( п + 1 ) бревно ( п ) = 1. { displaystyle lim _ {n to infty} { frac { log (n!)} {n log (n)}} = lim _ {n to infty} { frac { log (n + 1)} { log (n)}} = 1.} Пример 4 Рассмотрим последовательность
а п = ( − 1 ) п п ! п п { displaystyle a_ {n} = (- 1) ^ {n} { frac {n!} {n ^ {n}}}} это можно записать как
а п = б п ⋅ c п , б п := ( − 1 ) п , c п := ( п ! п п ) п , { displaystyle a_ {n} = b_ {n} cdot c_ {n}, quad b_ {n}: = (- 1) ^ {n}, c_ {n}: = { Big (} { frac { sqrt [{n}] {n!}} {n}} { Big)} ^ {n},} последовательность ( б п ) { displaystyle (b_ {n})} ограничена (и колеблется), а
Lim п → ∞ ( п ! п п ) п = Lim п → ∞ ( 1 / е ) п = 0 , { displaystyle lim _ {n to infty} { Big (} { frac { sqrt [{n}] {n!}} {n}} { Big)} ^ {n} = lim _ {n to infty} (1 / e) ^ {n} = 0,} к известный предел , потому что 1 / е < 1 { Displaystyle 1 / е <1} ; следовательно
Lim п → ∞ ( − 1 ) п п ! п п = 0. { displaystyle lim _ {n to infty} (- 1) ^ {n} { frac {n!} {n ^ {n}}} = 0.} История
Случай ∞ / ∞ изложен и доказан на страницах 173–175 книги Штольца 1885 года, а также на странице 54 статьи Чезаро 1888 года.
Она появляется как Проблема 70 в Pólya and Szeg (1925).
Общая форма
Заявление Общий вид теоремы Штольца – Чезаро следующий:[2] Если ( а п ) п ≥ 1 { Displaystyle (а_ {п}) _ {п geq 1}} и ( б п ) п ≥ 1 { displaystyle (b_ {n}) _ {n geq 1}} две последовательности такие, что ( б п ) п ≥ 1 { displaystyle (b_ {n}) _ {n geq 1}} монотонно и неограниченно, то:
lim inf п → ∞ а п + 1 − а п б п + 1 − б п ≤ lim inf п → ∞ а п б п ≤ лим суп п → ∞ а п б п ≤ лим суп п → ∞ а п + 1 − а п б п + 1 − б п . { displaystyle liminf _ {n to infty} { frac {a_ {n + 1} -a_ {n}} {b_ {n + 1} -b_ {n}}} leq liminf _ {n to infty} { frac {a_ {n}} {b_ {n}}} leq limsup _ {n to infty} { frac {a_ {n}} {b_ {n}}} leq limsup _ {n to infty} { frac {a_ {n + 1} -a_ {n}} {b_ {n + 1} -b_ {n}}}.} Доказательство Вместо доказательства предыдущего утверждения мы докажем несколько иное; сначала введем обозначение: пусть ( а п ) п ≥ 1 { Displaystyle (а_ {п}) _ {п geq 1}} - любая последовательность, ее частичная сумма будем обозначать А п := ∑ м ≥ 1 п а м { displaystyle A_ {n}: = sum _ {m geq 1} ^ {n} a_ {m}} . Эквивалентное утверждение, которое мы докажем:
Позволять ( а п ) п ≥ 1 , ( б п ) ≥ 1 { Displaystyle (а_ {п}) _ {п geq 1}, (b_ {п}) _ { geq 1}} быть любыми двумя последовательностями действительные числа такой, что
б п > 0 , ∀ п ∈ Z > 0 { displaystyle b_ {n}> 0, quad forall n in { mathbb {Z}} _ {> 0}} , Lim п → ∞ B п = + ∞ { displaystyle lim _ {n to infty} B_ {n} = + infty} ,тогда
lim inf п → ∞ а п б п ≤ lim inf п → ∞ А п B п ≤ лим суп п → ∞ А п B п ≤ лим суп п → ∞ а п б п . { displaystyle liminf _ {n to infty} { frac {a_ {n}} {b_ {n}}} leq liminf _ {n to infty} { frac {A_ {n}} {B_ {n}}} leq limsup _ {n to infty} { frac {A_ {n}} {B_ {n}}} leq limsup _ {n to infty} { frac {a_ {n}} {b_ {n}}}.} Доказательство эквивалентного утверждения Сначала мы замечаем, что:
lim inf п → ∞ А п B п ≤ лим суп п → ∞ А п B п { displaystyle liminf _ {n to infty} { frac {A_ {n}} {B_ {n}}} leq limsup _ {n to infty} { frac {A_ {n}} {B_ {n}}}} выполняется по определению ограничивать высшее и ограничивать низшее ; lim inf п → ∞ а п б п ≤ lim inf п → ∞ А п B п { displaystyle liminf _ {n to infty} { frac {a_ {n}} {b_ {n}}} leq liminf _ {n to infty} { frac {A_ {n}} {B_ {n}}}} выполняется тогда и только тогда, когда лим суп п → ∞ А п B п ≤ лим суп п → ∞ а п б п { displaystyle limsup _ {n to infty} { frac {A_ {n}} {B_ {n}}} leq limsup _ {n to infty} { frac {a_ {n}} {b_ {n}}}} потому что lim inf п → ∞ Икс п = − лим суп п → ∞ ( − Икс п ) { displaystyle liminf _ {n to infty} x_ {n} = - limsup _ {n to infty} (- x_ {n})} для любой последовательности ( Икс п ) п ≥ 1 { Displaystyle (х_ {п}) _ {п geq 1}} .Поэтому нам нужно только показать, что лим суп п → ∞ А п B п ≤ лим суп п → ∞ а п б п { displaystyle limsup _ {n to infty} { frac {A_ {n}} {B_ {n}}} leq limsup _ {n to infty} { frac {a_ {n}} {b_ {n}}}} . Если L := лим суп п → ∞ а п б п = + ∞ { displaystyle L: = limsup _ {n to infty} { frac {a_ {n}} {b_ {n}}} = + infty} доказывать нечего, поэтому мы можем предположить L < + ∞ { Displaystyle L <+ infty} (может быть как конечным, так и − ∞ { displaystyle - infty} ). По определению лим суп { displaystyle limsup} , для всех л > L { displaystyle l> L} есть натуральное число ν > 0 { displaystyle nu> 0} такой, что
а п б п < л , ∀ п > ν . { displaystyle { frac {a_ {n}} {b_ {n}}} nu.} Мы можем использовать это неравенство, чтобы написать
А п = А ν + а ν + 1 + ⋯ + а п < А ν + л ( B п − B ν ) , ∀ п > ν , { displaystyle A_ {n} = A _ { nu} + a _ { nu +1} + dots + a_ {n} nu,} Потому что б п > 0 { displaystyle b_ {n}> 0} , у нас также есть B п > 0 { displaystyle B_ {n}> 0} и мы можем разделить на B п { displaystyle B_ {n}} получить
А п B п < А ν − л B ν B п + л , ∀ п > ν . { displaystyle { frac {A_ {n}} {B_ {n}}} <{ frac {A _ { nu} -lB _ { nu}} {B_ {n}}} + l, quad forall п> ню.} С B п → + ∞ { displaystyle B_ {n} к + infty} в качестве п → + ∞ { Displaystyle п к + infty} , последовательность
А ν − л B ν B п → 0 в качестве п → + ∞ (сохраняя ν фиксированный) , { displaystyle { frac {A _ { nu} -lB _ { nu}} {B_ {n}}} to 0 { text {as}} n to + infty { text {(сохранение}} nu { text {fixed)}},} и получаем
лим суп п → ∞ А п B п ≤ л , ∀ л > L , { displaystyle limsup _ {n to infty} { frac {A_ {n}} {B_ {n}}} leq l, quad forall l> L,} По определению наименьшая верхняя граница , это и означает, что
лим суп п → ∞ А п B п ≤ L = лим суп п → ∞ а п б п , { displaystyle limsup _ {n to infty} { frac {A_ {n}} {B_ {n}}} leq L = limsup _ {n to infty} { frac {a_ {n }} {b_ {n}}},} и мы закончили.
Доказательство оригинального заявления Теперь возьми ( а п ) , ( б п ) { Displaystyle (а_ {п}), (б_ {п})} как в формулировке общей формы теоремы Штольца-Чезаро и определим
α 1 = а 1 , α k = а k − а k − 1 , ∀ k > 1 β 1 = б 1 , β k = б k − б k − 1 ∀ k > 1 { displaystyle alpha _ {1} = a_ {1}, alpha _ {k} = a_ {k} -a_ {k-1}, , forall k> 1 quad beta _ {1} = b_ {1}, beta _ {k} = b_ {k} -b_ {k-1} , forall k> 1} поскольку ( б п ) { displaystyle (b_ {n})} строго монотонно (например, можно считать строго возрастающим), β п > 0 { displaystyle beta _ {n}> 0} для всех п { displaystyle n} и с тех пор б п → + ∞ { displaystyle b_ {n} к + infty} также B п = б 1 + ( б 2 − б 1 ) + ⋯ + ( б п − б п − 1 ) = б п → + ∞ { displaystyle mathrm {B} _ {n} = b_ {1} + (b_ {2} -b_ {1}) + dots + (b_ {n} -b_ {n-1}) = b_ {n } к + infty} , поэтому мы можем применить только что доказанную теорему к ( α п ) , ( β п ) { Displaystyle ( альфа _ {п}), ( бета _ {п})} (и их частичные суммы ( А п ) , ( B п ) { displaystyle ( mathrm {A} _ {n}), ( mathrm {B} _ {n})} )
лим суп п → ∞ а п б п = лим суп п → ∞ А п B п ≤ лим суп п → ∞ α п β п = лим суп п → ∞ а п − а п − 1 б п − б п − 1 , { displaystyle limsup _ {n to infty} { frac {a_ {n}} {b_ {n}}} = limsup _ {n to infty} { frac { mathrm {A} _ {n}} { mathrm {B} _ {n}}} leq limsup _ {n to infty} { frac { alpha _ {n}} { beta _ {n}}} = limsup _ {n to infty} { frac {a_ {n} -a_ {n-1}} {b_ {n} -b_ {n-1}}},} что мы и хотели доказать.
Рекомендации
Мурешан, Мариан (2008), Конкретный подход к классическому анализу , Берлин: Springer, стр. 85–88, ISBN 978-0-387-78932-3 .Штольц, Отто (1885), Vorlesungen über allgemeine Arithmetik: nach den Neueren Ansichten , Лейпциг: Teubners, стр. 173–175. .Чезаро, Эрнесто (1888), "Sur la convergence des séries", Nouvelles annales de mathématiques , Серия 3, 7 : 49–59 .Полиа, Джордж ; Сегё, Габор (1925), Aufgaben und Lehrsätze aus der Analysis , я , Берлин: Springer .А.Д.Р. Чоудари, Константин Никулеску: Реальный анализ по интервалам . Springer, 2014 г., ISBN 9788132221487 , стр. 59-62 Дж. Маршалл Эш, Аллан Береле, Стефан Катойу: Правдоподобное и подлинное расширение правила L’Hospital . Математический журнал, Vol. 85, № 1 (февраль 2012 г.), стр. 52–60 (JSTOR ) внешняя ссылка
Примечания
В статье использован материал из теоремы Штольца-Чезаро о PlanetMath , который находится под лицензией Лицензия Creative Commons Attribution / Share-Alike .