v matematika , Věta Stolz – Cesàro je kritériem pro prokázání konvergence posloupnosti . Věta je pojmenována po matematici Otto Stolz a Ernesto Cesàro , který uvedl a prokázal to poprvé.
Větu Stolz – Cesàro lze považovat za zobecnění Cesàro znamená , ale také jako l'Hôpitalovo pravidlo pro sekvence.
Prohlášení věty pro ∙/∞ případ Nechat ( A n ) n ≥ 1 { displaystyle (a_ {n}) _ {n geq 1}} a ( b n ) n ≥ 1 { displaystyle (b_ {n}) _ {n geq 1}} být dva sekvence z reálná čísla . Předpokládat, že ( b n ) n ≥ 1 { displaystyle (b_ {n}) _ {n geq 1}} je přísně monotónní a divergentní sekvence (tj. přísně se zvyšuje a blíží se + ∞ { displaystyle + infty} nebo přísně klesá a blíží se − ∞ { displaystyle - infty} ) a následující omezit existuje:
lim n → ∞ A n + 1 − A n b n + 1 − b n = l . { displaystyle lim _ {n to infty} { frac {a_ {n + 1} -a_ {n}} {b_ {n + 1} -b_ {n}}} = l. } Potom limit
lim n → ∞ A n b n = l . { displaystyle lim _ {n to infty} { frac {a_ {n}} {b_ {n}}} = l. } Prohlášení věty pro 0/0 případ Nechat ( A n ) n ≥ 1 { displaystyle (a_ {n}) _ {n geq 1}} a ( b n ) n ≥ 1 { displaystyle (b_ {n}) _ {n geq 1}} být dva sekvence z reálná čísla . Předpokládejme, že teď ( A n ) → 0 { displaystyle (a_ {n}) až 0} a ( b n ) → 0 { displaystyle (b_ {n}) až 0} zatímco ( b n ) n ≥ 1 { displaystyle (b_ {n}) _ {n geq 1}} je přísně monotónní . Li
lim n → ∞ A n + 1 − A n b n + 1 − b n = l , { displaystyle lim _ {n to infty} { frac {a_ {n + 1} -a_ {n}} {b_ {n + 1} -b_ {n}}} = l, } pak
lim n → ∞ A n b n = l . { displaystyle lim _ {n to infty} { frac {a_ {n}} {b_ {n}}} = l. } [1] Důkazy Důkaz věty pro ⋅ / ∞ { displaystyle cdot / infty} případ Případ 1: předpokládat ( b n ) { displaystyle (b_ {n})} přísně roste a liší se + ∞ { displaystyle + infty} , a l < ∞ { displaystyle l < infty} . Podle hypotézy to máme pro všechny ϵ / 2 > 0 { displaystyle epsilon / 2> 0} tady existuje ν > 0 { displaystyle nu> 0} takhle ∀ n > ν { displaystyle forall n> nu}
| A n + 1 − A n b n + 1 − b n − l | < ϵ 2 , { displaystyle left | , { frac {a_ {n + 1} -a_ {n}} {b_ {n + 1} -b_ {n}}} - l , right | <{ frac { epsilon} {2}},} což znamená
l − ϵ / 2 < A n + 1 − A n b n + 1 − b n < l + ϵ / 2 , ∀ n > ν . { displaystyle l- epsilon / 2 <{ frac {a_ {n + 1} -a_ {n}} {b_ {n + 1} -b_ {n}}} nu.} Od té doby ( b n ) { displaystyle (b_ {n})} se přísně zvyšuje, b n + 1 − b n > 0 { displaystyle b_ {n + 1} -b_ {n}> 0} a následující blokování
( l − ϵ / 2 ) ( b n + 1 − b n ) < A n + 1 − A n < ( l + ϵ / 2 ) ( b n + 1 − b n ) , ∀ n > ν { displaystyle (l- epsilon / 2) (b_ {n + 1} -b_ {n}) nu} .Dále si toho všimneme
A n = [ ( A n − A n − 1 ) + ⋯ + ( A ν + 2 − A ν + 1 ) ] + A ν + 1 { displaystyle a_ {n} = [(a_ {n} -a_ {n-1}) + tečky + (a _ { nu +2} -a _ { nu +1})] + a _ { nu + 1}} tedy aplikací výše uvedené nerovnosti na každý z výrazů v hranatých závorkách získáme
( l − ϵ / 2 ) ( b n − b ν + 1 ) + A ν + 1 = ( l − ϵ / 2 ) [ ( b n − b n − 1 ) + ⋯ + ( b ν + 2 − b ν + 1 ) ] + A ν + 1 < A n A n < ( l + ϵ / 2 ) [ ( b n − b n − 1 ) + ⋯ + ( b ν + 2 − b ν + 1 ) ] + A ν + 1 = ( l + ϵ / 2 ) ( b n − b ν + 1 ) + A ν + 1 . { displaystyle { begin {aligned} & (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} Nyní, protože b n → + ∞ { displaystyle b_ {n} až + infty} tak jako n → ∞ { displaystyle n to infty} , tady je n 0 > 0 { displaystyle n_ {0}> 0} takhle b n ⪈ 0 { displaystyle b_ {n} gneq 0} pro všechny n > n 0 { displaystyle n> n_ {0}} , a můžeme rozdělit dvě nerovnosti b n { displaystyle b_ {n}} pro všechny n > max { ν , n 0 } { displaystyle n> max { nu, n_ {0} }}
( l − ϵ / 2 ) + A ν + 1 − b ν + 1 ( l − ϵ / 2 ) b n < A n b n < ( l + ϵ / 2 ) + A ν + 1 − b ν + 1 ( l + ϵ / 2 ) b n . { displaystyle (l- epsilon / 2) + { frac {a _ { nu +1} -b _ { nu +1} (l- epsilon / 2)} {b_ {n}}} <{ frac {a_ {n}} {b_ {n}}} <(l + epsilon / 2) + { frac {a _ { nu +1} -b _ { nu +1} (l + epsilon / 2)} {b_ {n}}}.} Tyto dvě sekvence (které jsou definovány pouze pro n > n 0 { displaystyle n> n_ {0}} jak by mohl být N ≤ n 0 { displaystyle N leq n_ {0}} takhle b N = 0 { displaystyle b_ {N} = 0} )
C n ± := A ν + 1 − b ν + 1 ( l ± ϵ / 2 ) b n { displaystyle c_ {n} ^ { pm}: = { frac {a _ { nu +1} -b _ { nu +1} (l pm epsilon / 2)} {b_ {n}}} } jsou od té doby nekonečně malé b n → + ∞ { displaystyle b_ {n} až + infty} a čitatel je konstantní číslo, tedy pro všechny ϵ / 2 > 0 { displaystyle epsilon / 2> 0} existují n ± > n 0 > 0 { displaystyle n _ { pm}> n_ {0}> 0} , takový, že
| C n + | < ϵ / 2 , ∀ n > n + , | C n − | < ϵ / 2 , ∀ n > n − , { displaystyle { begin {aligned} & | c_ {n} ^ {+} | < epsilon / 2, quad forall n> n _ {+}, & | c_ {n} ^ {-} | < epsilon / 2, quad forall n> n _ {-}, end {zarovnáno}}} proto
l − ϵ < l − ϵ / 2 + C n − < A n b n < l + ϵ / 2 + C n + < l + ϵ , ∀ n > max { ν , n ± } =: N > 0 , { displaystyle l- epsilon max lbrace nu, n _ { pm} rbrace =: N> 0,} který uzavírá důkaz. Případ s ( b n ) { displaystyle (b_ {n})} přísně klesající a odchylující se od − ∞ { displaystyle - infty} , a l < ∞ { displaystyle l < infty} je podobný.
Případ 2: Předpokládáme ( b n ) { displaystyle (b_ {n})} přísně roste a liší se + ∞ { displaystyle + infty} , a l = + ∞ { displaystyle l = + infty} . Postupujeme jako dříve, pro všechny 3 2 M > 0 { displaystyle { frac {3} {2}} M> 0} tady existuje ν > 0 { displaystyle nu> 0} takové, že pro všechny n > ν { displaystyle n> nu}
A n + 1 − A n b n + 1 − b n > 3 2 M . { displaystyle { frac {a_ {n + 1} -a_ {n}} {b_ {n + 1} -b_ {n}}}> { frac {3} {2}} M.} Opět platí, že aplikováním výše uvedené nerovnosti na každý z termínů v hranatých závorkách získáme
A n > 3 2 M ( b n − b ν + 1 ) + A ν + 1 , ∀ n > ν , { displaystyle a_ {n}> { frac {3} {2}} M (b_ {n} -b _ { nu +1}) + a _ { nu +1}, quad forall n> nu ,} a
A n b n > 3 2 M + A ν + 1 − 3 2 M b ν + 1 b n , ∀ n > max { ν , n 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} }.} Sekvence ( C n ) n > n 0 { displaystyle (c_ {n}) _ {n> n_ {0}}} definován
C n := A ν + 1 − 3 2 M b ν + 1 b n { displaystyle c_ {n}: = { frac {a _ { nu +1} - { frac {3} {2}} Mb _ { nu +1}} {b_ {n}}}} je tedy nekonečně malý
∀ M / 2 > 0 ∃ n ¯ > n 0 > 0 takhle − M / 2 < C n < M / 2 , ∀ n > n ¯ , { displaystyle forall M / 2> 0 , existuje { bar {n}}> n_ {0}> 0 { text {takový, že}} - M / 2 { bar {n}},} kombinací této nerovnosti s předchozí jsme dospěli k závěru
A n b n > 3 2 M + C n > M , ∀ n > max { ν , n ¯ } =: N . { displaystyle { frac {a_ {n}} {b_ {n}}}> { frac {3} {2}} M + c_ {n}> M, quad forall n> max { nu, { bar {n}} } =: N.} Důkazy ostatních případů s ( b n ) { displaystyle (b_ {n})} přísně roste nebo klesá a blíží se + ∞ { displaystyle + infty} nebo − ∞ { displaystyle - infty} respektive a l = ± ∞ { displaystyle l = pm infty} všechny postupují stejným způsobem.
Důkaz věty pro 0 / 0 { displaystyle 0/0} případ Případ 1: nejprve zvážíme případ s l < ∞ { displaystyle l < infty} a ( b n ) { displaystyle (b_ {n})} přísně se zvyšuje. Tentokrát pro každého m > 0 { displaystyle m> 0} , můžeme psát
A n = ( A n − A n − 1 ) + ⋯ + ( A m + ν + 1 − A m + ν ) + A m + ν , { displaystyle a_ {n} = (a_ {n} -a_ {n-1}) + tečky + (a_ {m + nu +1} -a_ {m + nu}) + a_ {m + nu}, } a
( l − ϵ / 2 ) ( b n − b ν + m ) + A ν + m = ( l − ϵ / 2 ) [ ( b n − b n − 1 ) + ⋯ + ( b ν + m + 1 − b ν + m ) ] + A ν + m < A n A n < ( l + ϵ / 2 ) [ ( b n − b n − 1 ) + ⋯ + ( b ν + m + 1 − b ν + m ) ] + A ν + m = ( l + ϵ / 2 ) ( b n − b ν + m ) + A ν + m . { displaystyle { begin {aligned} & (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} Tyto dvě sekvence
C m ± := A ν + m − b ν + m ( l ± ϵ / 2 ) b n { displaystyle c_ {m} ^ { pm}: = { frac {a _ { nu + m} -b _ { nu + m} (l pm epsilon / 2)} {b_ {n}}} } jsou nekonečně malé, protože hypotehsis A m , b m → 0 { displaystyle a_ {m}, b_ {m} až 0} , tedy pro všechny ϵ / 2 > 0 { displaystyle epsilon / 2> 0} existují n ± > 0 { displaystyle n ^ { pm}> 0} takhle
| C m + | < ϵ / 2 , ∀ m > n + , | C m − | < ϵ / 2 , ∀ m > n − , { displaystyle { begin {aligned} & | c_ {m} ^ {+} | < epsilon / 2, quad forall m> n _ {+}, & | c_ {m} ^ {-} | < epsilon / 2, quad forall m> n _ {-}, end {zarovnáno}}} tedy výběr m { displaystyle m} přiměřeně (tj. při zohlednění limitu s ohledem na m { displaystyle m} ) získáváme
l − ϵ < l − ϵ / 2 + C m − < A n b n < l + ϵ / 2 + C m + < l + ϵ , ∀ n > max { ν , n 0 } , { displaystyle l- epsilon max { nu, n_ {0} },} který uzavírá důkaz.
Případ 2: Předpokládáme l = + ∞ { displaystyle l = + infty} a ( b n ) { displaystyle (b_ {n})} přísně se zvyšuje. pro všechny 3 2 M > 0 { displaystyle { frac {3} {2}} M> 0} tady existuje ν > 0 { displaystyle nu> 0} takové, že pro všechny n > ν { displaystyle n> nu}
A n + 1 − A n b n + 1 − b n > 3 2 M . { displaystyle { frac {a_ {n + 1} -a_ {n}} {b_ {n + 1} -b_ {n}}}> { frac {3} {2}} M.} Proto pro každého m > 0 { displaystyle m> 0}
A n b n > 3 2 M + A ν + m − 3 2 M b ν + m b n , ∀ n > max { ν , n 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} }.} Sekvence
C m := A ν + m − 3 2 M b ν + m b n { displaystyle c_ {m}: = { frac {a _ { nu + m} - { frac {3} {2}} Mb _ { nu + m}} {b_ {n}}}} konverguje k 0 { displaystyle 0} (vedení n { displaystyle n} pevné), tedy
∀ M / 2 > 0 ∃ n ¯ > 0 takhle − M / 2 < C m < M / 2 , ∀ m > n ¯ , { displaystyle forall M / 2> 0 , existuje { bar {n}}> 0 { text {takový, že}} - M / 2 { bar {n}},} a výběr m { displaystyle m} pohodlně uzavřeme důkaz
A n b n > 3 2 M + C m > M , ∀ n > max { ν , n 0 } . { displaystyle { frac {a_ {n}} {b_ {n}}}> { frac {3} {2}} M + c_ {m}> M, quad forall n> max { nu, n_ {0} }.} Aplikace a příklady Věta o ⋅ / ∞ { displaystyle cdot / infty} případ má několik pozoruhodných důsledků, které jsou užitečné při výpočtu limitů.
Aritmetický průměr Nechat ( X n ) { displaystyle (x_ {n})} být posloupnost reálných čísel, která konverguje k l { displaystyle l} , definovat
A n := ∑ m = 1 n X m = X 1 + ⋯ + X n , b n := n { displaystyle a_ {n}: = součet _ {m = 1} ^ {n} x_ {m} = x_ {1} + tečky + x_ {n}, quad b_ {n}: = n} pak ( b n ) { displaystyle (b_ {n})} se přísně zvyšuje a rozchází se + ∞ { displaystyle + infty} . Vypočítáváme
lim n → ∞ A n + 1 − A n b n + 1 − b n = lim n → ∞ X n + 1 = lim n → ∞ X n = l { displaystyle lim _ {n to infty} { frac {a_ {n + 1} -a_ {n}} {b_ {n + 1} -b_ {n}}} = lim _ {n do infty} x_ {n + 1} = lim _ {n do infty} x_ {n} = l} proto
lim n → ∞ X 1 + ⋯ + X n n = lim n → ∞ X n . { displaystyle lim _ {n to infty} { frac {x_ {1} + dots + x_ {n}} {n}} = lim _ {n to infty} x_ {n}. } Vzhledem k jakékoli posloupnosti ( X n ) n ≥ 1 { displaystyle (x_ {n}) _ {n geq 1}} reálných čísel, předpokládejme to
lim n → ∞ X n { displaystyle lim _ {n až infty} x_ {n}} existuje (konečný nebo nekonečný)
lim n → ∞ X 1 + ⋯ + X n n = lim n → ∞ X n . { displaystyle lim _ {n to infty} { frac {x_ {1} + dots + x_ {n}} {n}} = lim _ {n to infty} x_ {n}. } Geometrický průměr Nechat ( X n ) { displaystyle (x_ {n})} být posloupností kladných reálných čísel konvergujících k l { displaystyle l} a definovat
A n := log ( X 1 ⋯ X n ) , b n := n , { displaystyle a_ {n}: = log (x_ {1} cdots x_ {n}), quad b_ {n}: = n,} opět počítáme
lim n → ∞ A n + 1 − A n b n + 1 − b n = lim n → ∞ log ( X 1 ⋯ X n + 1 X 1 ⋯ X n ) = lim n → ∞ log ( X n + 1 ) = lim n → ∞ log ( X n ) = log ( l ) , { displaystyle lim _ {n to infty} { frac {a_ {n + 1} -a_ {n}} {b_ {n + 1} -b_ {n}}} = lim _ {n do 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),} kde jsme použili skutečnost, že logaritmus je spojitý. Tím pádem
lim n → ∞ log ( X 1 ⋯ X n ) n = lim n → ∞ log ( ( X 1 ⋯ X n ) 1 n ) = log ( l ) , { 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),} protože logaritmus je spojitý i injektivní, můžeme z toho usoudit
lim n → ∞ X 1 ⋯ X n n = lim n → ∞ X n { displaystyle lim _ {n to infty} { sqrt [{n}] {x_ {1} cdots x_ {n}}} = lim _ {n to infty} x_ {n}} .Vzhledem k jakékoli posloupnosti ( X n ) n ≥ 1 { displaystyle (x_ {n}) _ {n geq 1}} (přísně) kladných reálných čísel, předpokládejme, že
lim n → ∞ X n { displaystyle lim _ {n až infty} x_ {n}} existuje (konečný nebo nekonečný)
lim n → ∞ X 1 ⋯ X n n = lim n → ∞ X n . { displaystyle lim _ {n to infty} { sqrt [{n}] {x_ {1} cdots x_ {n}}} = lim _ {n to infty} x_ {n}. } Předpokládejme, že máme sekvenci ( y n ) n ≥ 1 { displaystyle (y_ {n}) _ {n geq 1}} a my jsme požádáni o výpočet
lim n → ∞ y n n , { displaystyle lim _ {n to infty} { sqrt [{n}] {y_ {n}}},} definování y 0 = 1 { displaystyle y_ {0} = 1} a X n = y n / y n − 1 { displaystyle x_ {n} = y_ {n} / y_ {n-1}} získáváme
lim n → ∞ X 1 … X n n = lim n → ∞ y 1 … y n y 0 ⋅ y 1 … y n − 1 n = lim n → ∞ y n n , { displaystyle lim _ {n to infty} { sqrt [{n}] {x_ {1} dots x_ {n}}} = lim _ {n to infty} { sqrt [{ n}] { frac {y_ {1} tečky y_ {n}} {y_ {0} cdot y_ {1} tečky y_ {n-1}}}}} = lim _ {n to infty } { sqrt [{n}] {y_ {n}}},} použijeme-li výše uvedenou vlastnost
lim n → ∞ y n n = lim n → ∞ X n = lim n → ∞ y n y n − 1 . { displaystyle lim _ {n to infty} { sqrt [{n}] {y_ {n}}} = lim _ {n to infty} x_ {n} = lim _ {n do infty} { frac {y_ {n}} {y_ {n-1}}}.} Tento poslední formulář je obvykle nejužitečnější pro výpočet limitů
Vzhledem k jakékoli posloupnosti ( y n ) n ≥ 1 { displaystyle (y_ {n}) _ {n geq 1}} (přísně) kladných reálných čísel, předpokládejme, že
lim n → ∞ y n + 1 y n { displaystyle lim _ {n to infty} { frac {y_ {n + 1}} {y_ {n}}}} existuje (konečný nebo nekonečný)
lim n → ∞ y n n = lim n → ∞ y n + 1 y n . { displaystyle lim _ {n to infty} { sqrt [{n}] {y_ {n}}} = lim _ {n to infty} { frac {y_ {n + 1}} {y_ {n}}}.} Příklady Příklad 1 lim n → ∞ n n = lim n → ∞ n + 1 n = 1. { displaystyle lim _ {n to infty} { sqrt [{n}] {n}} = lim _ {n to infty} { frac {n + 1} {n}} = 1 .} Příklad 2 lim n → ∞ n ! n n = lim n → ∞ ( n + 1 ) ! ( n n ) n ! ( n + 1 ) n + 1 = lim n → ∞ n n ( n + 1 ) n = lim n → ∞ 1 ( 1 + 1 n ) n = 1 E . { displaystyle { begin {aligned} 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 {zarovnáno}}} použili jsme reprezentaci E { displaystyle e} jako limit posloupnosti v posledním kroku.
Příklad 3 lim n → ∞ log ( n ! ) n log ( n ) = lim n → ∞ log ( n ! n ) log ( n ) , { displaystyle lim _ {n to infty} { frac { log (n!)} {n log (n)}} = lim _ {n to infty} { frac { log ({ sqrt [{n}] {n!}})} { log (n)}},} všimněte si toho
lim n → ∞ n ! n = lim n → ∞ ( n + 1 ) ! n ! = lim n → ∞ ( n + 1 ) { displaystyle lim _ {n to infty} { sqrt [{n}] {n!}} = lim _ {n to infty} { frac {(n + 1)!} {n !}} = lim _ {n to infty} (n + 1)} proto
lim n → ∞ log ( n ! ) n log ( n ) = lim n → ∞ log ( n + 1 ) log ( n ) = 1. { displaystyle lim _ {n to infty} { frac { log (n!)} {n log (n)}} = lim _ {n to infty} { frac { log (n + 1)} { log (n)}} = 1.} Příklad 4 Zvažte sekvenci
A n = ( − 1 ) n n ! n n { displaystyle a_ {n} = (- 1) ^ {n} { frac {n!} {n ^ {n}}}} toto lze zapsat jako
A n = b n ⋅ C n , b n := ( − 1 ) n , C n := ( n ! n n ) n , { displaystyle a_ {n} = b_ {n} cdot c_ {n}, quad b_ {n}: = (- 1) ^ {n}, c_ {n}: = { Big (} { frac { sqrt [{n}] {n!}} {n}} { Big)} ^ {n},} sekvence ( b n ) { displaystyle (b_ {n})} je omezen (a osciluje), zatímco
lim n → ∞ ( n ! n n ) n = lim n → ∞ ( 1 / E ) n = 0 , { displaystyle lim _ {n to infty} { Big (} { frac { sqrt [{n}] {n!}} {n}} { Big)} ^ {n} = lim _ {n to infty} (1 / e) ^ {n} = 0,} podle známý limit , protože 1 / E < 1 { displaystyle 1 / e <1} ; proto
lim n → ∞ ( − 1 ) n n ! n n = 0. { displaystyle lim _ {n to infty} (- 1) ^ {n} { frac {n!} {n ^ {n}}} = 0.} Dějiny Případ ∞ / ∞ je uveden a prokázán na stranách 173–175 Stolzovy knihy z roku 1885 a také na straně 54 článku Cesàro z roku 1888.
Jeví se jako problém 70 v Pólyi a Szegő (1925).
Obecná forma Prohlášení Obecná forma věty Stolz – Cesàro je následující:[2] Li ( A n ) n ≥ 1 { displaystyle (a_ {n}) _ {n geq 1}} a ( b n ) n ≥ 1 { displaystyle (b_ {n}) _ {n geq 1}} jsou dvě sekvence takové, že ( b n ) n ≥ 1 { displaystyle (b_ {n}) _ {n geq 1}} je monotónní a neomezený, pak:
lim inf n → ∞ A n + 1 − A n b n + 1 − b n ≤ lim inf n → ∞ A n b n ≤ lim sup n → ∞ A n b n ≤ lim sup n → ∞ A n + 1 − A n b n + 1 − b n . { 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}}}.} Důkaz Místo dokazování předchozího tvrzení dokážeme trochu jiné; nejprve zavedeme notaci: let ( A n ) n ≥ 1 { displaystyle (a_ {n}) _ {n geq 1}} být libovolná sekvence, její částečný součet bude označen A n := ∑ m ≥ 1 n A m { displaystyle A_ {n}: = součet _ {m geq 1} ^ {n} a_ {m}} . Ekvivalentní prohlášení, které dokážeme, je:
Nechat ( A n ) n ≥ 1 , ( b n ) ≥ 1 { displaystyle (a_ {n}) _ {n geq 1}, (b_ {n}) _ { geq 1}} být libovolné dvě sekvence reálná čísla takhle
b n > 0 , ∀ n ∈ Z > 0 { displaystyle b_ {n}> 0, quad forall n in { mathbb {Z}} _ {> 0}} , lim n → ∞ B n = + ∞ { displaystyle lim _ {n to infty} B_ {n} = + infty} ,pak
lim inf n → ∞ A n b n ≤ lim inf n → ∞ A n B n ≤ lim sup n → ∞ A n B n ≤ lim sup n → ∞ A n b n . { 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}}}.} Důkaz rovnocenného prohlášení Nejprve si všimneme, že:
lim inf n → ∞ A n B n ≤ lim sup n → ∞ A n B n { displaystyle liminf _ {n to infty} { frac {A_ {n}} {B_ {n}}} leq limsup _ {n to infty} { frac {A_ {n}} {B_ {n}}}} drží podle definice limit superior a limit inferior ; lim inf n → ∞ A n b n ≤ lim inf n → ∞ A n B n { displaystyle liminf _ {n to infty} { frac {a_ {n}} {b_ {n}}} leq liminf _ {n to infty} { frac {A_ {n}} {B_ {n}}}} platí právě tehdy lim sup n → ∞ A n B n ≤ lim sup n → ∞ A n b n { displaystyle limsup _ {n to infty} { frac {A_ {n}} {B_ {n}}} leq limsup _ {n to infty} { frac {a_ {n}} {b_ {n}}}} protože lim inf n → ∞ X n = − lim sup n → ∞ ( − X n ) { displaystyle liminf _ {n to infty} x_ {n} = - limsup _ {n to infty} (- x_ {n})} pro libovolnou sekvenci ( X n ) n ≥ 1 { displaystyle (x_ {n}) _ {n geq 1}} .Musíme to tedy jen ukázat lim sup n → ∞ A n B n ≤ lim sup n → ∞ A n b n { displaystyle limsup _ {n to infty} { frac {A_ {n}} {B_ {n}}} leq limsup _ {n to infty} { frac {a_ {n}} {b_ {n}}}} . Li L := lim sup n → ∞ A n b n = + ∞ { displaystyle L: = limsup _ {n to infty} { frac {a_ {n}} {b_ {n}}} = + infty} není co dokazovat, proto můžeme předpokládat L < + ∞ { displaystyle L <+ infty} (může to být konečný nebo − ∞ { displaystyle - infty} ). Podle definice lim sup { displaystyle limsup} , pro všechny l > L { displaystyle l> L} existuje přirozené číslo ν > 0 { displaystyle nu> 0} takhle
A n b n < l , ∀ n > ν . { displaystyle { frac {a_ {n}} {b_ {n}}} nu.} Tuto nerovnost můžeme použít k psaní
A n = A ν + A ν + 1 + ⋯ + A n < A ν + l ( B n − B ν ) , ∀ n > ν , { displaystyle A_ {n} = A _ { nu} + a _ { nu +1} + tečky + a_ {n} nu,} Protože b n > 0 { displaystyle b_ {n}> 0} , také máme B n > 0 { displaystyle B_ {n}> 0} a můžeme je rozdělit B n { displaystyle B_ {n}} dostat
A n B n < A ν − l B ν B n + l , ∀ n > ν . { displaystyle { frac {A_ {n}} {B_ {n}}} <{ frac {A _ { nu} -lB _ { nu}} {B_ {n}}} + l, quad forall n> nu.} Od té doby B n → + ∞ { displaystyle B_ {n} až + infty} tak jako n → + ∞ { displaystyle n až + infty} , sekvence
A ν − l B ν B n → 0 tak jako n → + ∞ (vedení ν pevný) , { displaystyle { frac {A _ { nu} -lB _ { nu}} {B_ {n}}} na 0 { text {as}} n na + infty { text {(uchování}} nu { text {fixed)}},} a získáme
lim sup n → ∞ A n B n ≤ l , ∀ l > L , { displaystyle limsup _ {n to infty} { frac {A_ {n}} {B_ {n}}} leq l, quad forall l> L,} Podle definice nejmenší horní mez , to přesně znamená
lim sup n → ∞ A n B n ≤ L = lim sup n → ∞ A n b n , { displaystyle limsup _ {n to infty} { frac {A_ {n}} {B_ {n}}} leq L = limsup _ {n to infty} { frac {a_ {n }} {b_ {n}}},} a máme hotovo.
Důkaz původního prohlášení Nyní vezměte ( A n ) , ( b n ) { displaystyle (a_ {n}), (b_ {n})} jako ve výroku o obecné formě Stolz-Cesàro věty a definovat
α 1 = A 1 , α k = A k − A k − 1 , ∀ k > 1 β 1 = b 1 , β k = b k − b 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} , pro všechny k> 1} od té doby ( b n ) { displaystyle (b_ {n})} je přísně monotónní (můžeme předpokládat například přísně rostoucí), β n > 0 { displaystyle beta _ {n}> 0} pro všechny n { displaystyle n} a od té doby b n → + ∞ { displaystyle b_ {n} až + infty} taky B n = b 1 + ( b 2 − b 1 ) + ⋯ + ( b n − b n − 1 ) = b n → + ∞ { displaystyle mathrm {B} _ {n} = b_ {1} + (b_ {2} -b_ {1}) + tečky + (b_ {n} -b_ {n-1}) = b_ {n } do + infty} , tak můžeme použít teorém, který jsme právě dokázali ( α n ) , ( β n ) { displaystyle ( alpha _ {n}), ( beta _ {n})} (a jejich dílčí částky ( A n ) , ( B n ) { displaystyle ( mathrm {A} _ {n}), ( mathrm {B} _ {n})} )
lim sup n → ∞ A n b n = lim sup n → ∞ A n B n ≤ lim sup n → ∞ α n β n = lim sup n → ∞ A n − A n − 1 b n − b n − 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}}},} což je přesně to, co jsme chtěli dokázat.
Reference Mureşan, Marian (2008), Konkrétní přístup k klasické analýze , Berlín: Springer, str. 85–88, ISBN 978-0-387-78932-3 .Stolz, Otto (1885), Vorlesungen über allgemeine Arithmetik: nach den Neueren Ansichten , Lipsko: Teubners, str. 173–175 .Cesàro, Ernesto (1888), „Sur la Convergence des séries“, Nouvelles annales de mathématiques , Řada 3, 7 : 49–59 .Pólya, Georgi ; Szegő, Gábor (1925), Aufgaben und Lehrsätze aus der Analysis , Já , Berlín: Springer .A. D. R. Choudary, Constantin Niculescu: Skutečná analýza intervalů . Springer, 2014, ISBN 9788132221487, str. 59-62 J. Marshall Ash, Allan Berele, Stefan Catoiu: Věrohodná a originální rozšíření pravidla společnosti L’Hospital . Mathematics Magazine, sv. 85, č. 1 (únor 2012), s. 52–60 (JSTOR ) externí odkazy Poznámky Tento článek obsahuje materiál ze Stolz-Cesarovy věty PlanetMath , který je licencován pod Creative Commons Attribution / Share-Alike License.