Sucesiones y series de números reales: Teorema de amplitud de ℜ
Teorema de amplitud de ℜ
Toda sucesión de Cauchy en ℜ es convergente (el espacio métrico ℜ d(x, y) = |x - y| es completo).
• Demostración:
Sea (xₙ) de Cauchy. Entonces es acotada y, por tanto, tiene algún valor de adherencia. Con lo que acabamos de ver, bastará probar que ese valor de adherencia es único.
Supongamos que a y b fueran valores de adherencia distintos de (xₙ). Sea ε = |a - b|/3
En ]a - ε, a + ε[ y en ]b - ε, b + ε[ hay infinitos términos de la sucesión.
Por tanto, existen infinitos p, q ∈ N tales que: |xₚ-xq| > ε y xₙ no sería de Cauchy.
Definición:
Se dice (xₙ) es monótona creciente (decreciente) cuando, ∀ n ∈ N, xₙ ≤ x₍ₙ ₊ ₁₎ (respectivamente xₙ ≥ x₍ₙ ₊ ₁₎), la monotonía se dice que es estricta cuando el signo es < (respectivamente >)
• Proposición:
Toda sucesión monótona y acotada es convergente. Además, si es creciente lim (xₙ) = sup {xₙ/n ∈ N}, si es decreciente lim (xₙ) = inf. {xₙ /n ∈ N}
• Demostración:
Supongamos que (xₙ) es creciente y acotada. Sea a el sup {xₙ /n ∈ N}
De la definición de sup. se sigue que:
- La derecha de a no hay ningún xₙ
- ∀ ε > 0, a la derecha de a - ε hay algún xₙ. Sea este el xυ. Entonces por ser (xₙ) creciente,
n > υ ⇒ a - ε < xₙ ≤ a
|xₙ - a| < ε (c.q.d.)
Notación:
lim (xₙ) = a ⇔ (xₙ) ⟶ a
Para indicar que (xₙ) es creciente y que a es su límite se puede escribir: (xₙ) ↗ a.
Para indicar que es decreciente y que a es su límite: (xₙ) ↘ a.
Supongamos que (xₙ) es acotada, además tiene algún punto de adherencia.
El conjunto de los valores de adherencia es por tanto acotado. Además el conjunto de los valores de adherencia de cualquier sucesión es un conjunto acotado (podría ser Ø).
Por tanto, el conjunto de los valores de adherencia de una sucesión acotada es un conjunto no vacío, cerrado y acotado (compacto).
Por ser ese conjunto compacto y no vacío existen el mínimo y el máximo de sus adherentes. Por definición, este mínimo y máximo son el límite inferior y el límite superior de (xₙ).
Ejemplo nº 1
Supongamos que (xₙ) es una sucesión acotada.
Demostrar que límite inferior (xₙ) = sup {inf{x₀, x₁, x₂, ……}, inf{x₁, x₂, ………}, inf{x₂, …} …}
lim sup (xₙ) = inf {sup {x₀, x₁, …}, sup {x₁, x₂, …}, sup {x₂, x₃, ………} …}
Indicación:
Por ser xₙ acotada existen esos inf's y sup's la sucesión (inf{x₀, x₁, …}, inf{x₁, x₂, …} …) es monótona creciente.
Suponemos: lim inf (xₙ) = sup [inf {x₀, x₁, x₂, …}, inf {x₁, x₂, …} …] = α
Todos los inf's están en (-4, α) y en (α + ε, α) hay algún inf pues sino, α no sería el límite, pero al ser la sucesión de inf's es creciente, en este último intervalo están todos los inf's salvo finitos. Falta Acabarlo.
Algunos ejemplos interesantes de límites:
∀ a > 0, lim ⁿ√a = 1
Si a = 1 evidente.
Si a > 1 escribimos xₙ = ⁿ√a - 1
Se trata de probar que (xₙ) ⟶ 0
(xₙ + 1)ⁿ = 1 + (ⁿ₁) xₙ + (ⁿ₂) xₙ² + ……… > 1 + n·xₙ ⇒ xₙ < (a - 1)/n ⟶ 0
Ejemplo nº 2
Verlo para a < 1 (Indicación: tomar 1/a)
lim ⁿ√n = 1
n = (ⁿ√n - 1 + 1)ⁿ = 1 + (ⁿ₁)·(ⁿ√n - 1) + (ⁿ₂)·(ⁿ√n - 1)² + …… > 1 + [n·(n - 1)/2]·(ⁿ√n - 1)² ⇒ 0 ≤ (ⁿ√n - 1)² ≤ 2/(n + 1) ⟶ 0
Ejemplo nº 3
Ver que (ⁿ√n - 1)² ⟶ 0 ⇒ (ⁿ√n - 1) ⟶ 0
- limⁿ√nᵖ = 1
- ∀ a > 1, ∀ p, lim nᵖ/aⁿ = 0
Dice que la "exponencial" puede con la "potencial": el producto de ambas va a donde manda la exponencial. Si p < 0 evidente. Si p > 0 el numerador va a +4 y el denominador también.
nᵖ (1/aⁿ) ⟶ 0
b, p > 0, nᵖ/(1 + b)ⁿ ⟶ 0
Falta acabarlo.
Límites infinitos:
Aunque cuando hablamos de la convergencia, o del límite, de una sucesión, dicha convergencia o dicho límite, es a (un) número real, a veces también se habla de convergencia a +4 ó -4 (de límites infinitos) El contexto suele dejar claro si se están admitiendo "límites infinitos".
Definición:
(xₙ) converge a +4 (-4) cuando,
∀ ρ ∈ ℜ, ∑ υ ∃ N /n > υ ⇒ xₙ > ρ (respectivamente xₙ < ρ)
Ejemplos:
(1, 2, 3, ……) ⟶ +4
(1, 3, 2, 4, 3, 5, 4, 6, 5, 7, 6, 8, ………) ⟶ +4
La primera de esas sucesiones es monótona creciente y no acotada, es evidente que cualquier sucesión de este tipo "converge" a +4.
La segunda no es monótona.
(1, 2, 1, 3, 1, 4, ……) no converge a nada, ni a un número, ni a +4 ni a - 4.
Por lo mismo, a veces se admiten como valores de adherencia (en particular, como "límite inf" ó "límite sup") a +4 y -4.
Definición:
+4 (-4) es valor de adherencia de (xₙ) cuando, ∀ ρ ∈ ℜ, ∀ υ ∈ N, ∃ n > υ / xₙ > ρ (respectivamente xₙ < ρ)
Si un sucesión es no acotada superiormente (inferiormente) su límite superior (inferior) es +4 (-4).
lim sup (1, 2, 1, 3, 1, 4, ……) = +4
lim inf (1, 2, 1, 3, 1, 4, ……) = 1
lim inf (1, 2, 3, ………) = +4 porque sólo tiene como valor de adherencia +4 = lim sup. (1, 2, 3, …)
Con este acuerdo (admitir +4 y -4 como posibles valores de adherencia), se verifica:
- Toda sucesión (acotada o no) tiene algún valor de adherencia
- Toda sucesión (acotada o no) tiene lim inf y sup
R⁻ = ℜ ∪ {-4, +4}
Es muy fácil ver que:
(xₙ) ⟶ +4, (yₙ) ⟶ a (-4 < a ≤ +4) ⇒ (xₙ + yₙ) ⟶ +4
(xₙ) ⟶ +4, (yₙ) es acotada inferiormente ⇒ (xₙ + yₙ) ⟶ +4
(xₙ) ⟶ +4, (yₙ) ⟶ a (a ≠ 0) ⇒ (xₙ·yₙ) ⟶ +4 si 0 < a ≤ +4
-4 si -4 ≤ a < 0
(xₙ) ⟶ +4, (yₙ) está acotada inferiormente por a > 0 (superiormente por a < 0) ⇒ (xₙ·yₙ) ⟶ +4 (respectivamente -4)
Sin embargo,
Si (xₙ) ⟶ +4 e (yₙ) ⟶ -4, entonces a (xₙ + yₙ) le puede pasar cualquier cosa.
Ejemplos:
(xₙ) = (1, 2, 3, ……), (yₙ) = (-1, -2, -3, …), (xₙ + yₙ) = (0, 0, 0, ……) ⟶ 0
(xₙ) = (1, 2, 3, ……), (yₙ) = (-2, -4, -6, …), (xₙ + yₙ) = (-1, -2, -3, ……) ⟶ -4
(xₙ) = (1, 2, 3, …), (yₙ) = (-2, -1, -5, -2, -8, -3, ……), (xₙ + yₙ) = (-1, 1, -2, 2, -3, 3, …) no converge a nada.
Si (xₙ) ⟶ +4 (-4) e (yₙ) ⟶ 0 entonces (xₙ + yₙ) cualquier cosa:
(1,2, 3, ……) (1, ½, ⅓, ……) = (1, 1, 1, ……) ⟶ 1
(1,2, 3, ……) (1, ½², ⅓², ……) = (1, ½, ⅓, ……) ⟶ 0
(1,2, 3, ……) (1, 1/√2, 1/√3, …) = (1, √2, √3, ……) ⟶ +4
(1, 2, 3, …) (1, ½², 1/√3,¼², 1/√5,1/6², 1/√7, ……) = (1, ½, √3,¼, √5, ……)
Series numéricas:
Vamos a tratar de dar sentido a las sumas infinitas (infinitos numerables sumandos).
x₁ + x₂ + ………… + xₙ + …… donde los xₖ son números reales.
Para ello sea (xₙ) una sucesión de números reales a partir de ella construimos la sucesión de sumas parciales de aquella:
(x₁, x₁ + x₂, x₁ + x₂ + x₃, ……), la cual se suele llamar serie de términos (x₁, x₂, x₃, …) y denotar: ⁴∑ₙ ₌ ₁xₙ.
Definición:
La serie ⁴∑ₙ ₌ ₁xₙ se dice sumable, o convergente, a a ∈ ℜ cuando la sucesión de sumas parciales (x₁, x₁ + x₂, x₁ + x₂ + x₃ …) es convergente a a.
Es decir, cuando, ∀ ε > 0, ∑ υ ∃ N /n > υ ⇒ |ⁿ ∑ₖ ₌ ₁ xₖ - a| < ε
• Proposición:
⁴∑ₙ ₌ ₁ es sumable si sólo si es de Cauchy, es decir, tal que,
∀ ε > 0, ∑ υ ∃ N / υ < p < q ⇒ |q ∑ₖ ₌ ₚ xₖ| < ε
• Demostración:
Si ⁴∑ₙ ₌ ₁xₙ es sumable entonces:
∀ ε > 0, ∑ υ ∃ N /n > υ ⇒ |ⁿ ∑ₖ ₌ ₁ xₖ - a| < ε,
Es decir, es convergente a a, por consiguiente es de Cauchy, así pues:
∀ ε > 0, ∑ υ ∃ N / p, q > υ ⇒ |q ∑ₖ ₌ ₚ xₖ| < ε
Corolario:
Condición necesaria para que la serie ⁴∑ₙ ₌ ₁xₙ sea sumable es que la sucesión de sus términos converja a cero, lim (xₙ) = 0.
• Demostración:
Tómese q = p es la proposición anterior (Verlo)
⁴∑ₙ ₌ ₁xₙ es sumable ⇒ (xₙ) ⟶ 0
Veamos que el recíproco no se da en alguno de los ejemplos que siguen:
Ejemplos:
1) (xₙ) = (1, 1, 1, ……) la sucesión de sumas parciales es (1, 2, 3, ……)
2) (xₙ) = (1, -1, 1, -1, …) la sucesión de sumas parciales es (1, 0, 1, 0, 1, 0, ……) no convergente. En otras palabras, la serie ⁴∑ₙ ₌ ₁(-1)ⁿ ⁺ ¹ no es sumable.
En ambos casos (xₙ) no converge a 0, en el 1° converge a 1 y en el segundo no converge a nada, pues lim inf ≠ lim sup
3) ⁴∑ₙ ₌ ₁½ⁿ Como hemos dicho, será sumable si la sucesión de sumas parciales (ⁿ ∑ₖ ₌ ₁½ᵏ) es convergente (2, ½ + ¼, ½ + ¼ + ⅛, …). El término n-ésimo de estas sumas parciales es la suma de una progresión geométrica de primer término ½ y razón ½
ⁿ ∑ₖ ₌ ₁ ½ᵏ = ½ + ½² + ½³ + …… + ½ⁿ = (1er término - siguiente al último)/(1-razón) = (½ - ½ⁿ ⁺ ¹)/ ½ = 1 - ½ⁿ ⟶ 1
La serie ⁴∑ₙ ₌ ₁½ⁿ es sumable y su suma es 1.
Naturalmente (½ⁿ) ⟶ 0
Ejemplo nº 4
Estudiar la sumabilidad de las series geométricas ⁴∑ₙ ₌ ₀ a·rⁿ, donde a, r ∈ ℜ. Si a = 0 evidente.
Si a ≠ 0 ver que la serie es sumable si sólo si |r| < 1. Ver que, en dicho caso, la suma es a/(1 - r).
(a·r, a·r + a·r², a·r + a·r² + a·r³, ……) El término n-ésimo de estas sumas parciales es la suma de una progresión geométrica:
ⁿ ∑ₖ ₌ ₁ a·rᵏ = a·r + a·r² + ……… + a·rⁿ = (a·r - a·rⁿ ⁺ ¹)/(1 - r) = (a/(1 - r)) (r - rⁿ ⁺ ¹) se utiliza |r| < 1 ⟶ a/(1 - r)
4) la serie armónica:
⁴∑ₙ ₌ ₁1/n se verifica que 1/n ⟶ 0, luego puede ser sumable.
A diferencia del caso anterior, no conocemos una fórmula que nos diga cuanto vale.
1 + ½ + ……… + 1/n = ⁿ ∑ₖ ₌ ₁ 1/k
1 + ½ + ⅓ + ¼ + ⅕ + ⅙ + ⅐ + ⅛ + ⅑ + …… + 1/15 + 1/16 + 1/17
S₁ = 1 > ½
S₂ = 1 + ½ > 2/2
S₄ > 3/2
S₈ > 4/2
S₁₆ > 5/2
Sₙ > (n + 1)/2
Por otra parte como los términos de esta serie son positivo, la sucesión de sumas parciales es monótona creciente: S₁ < S₂ < S₃ < … y ocurre que sustracción S₁ < S₂ < S₄ < S₈ < … va a +4 Luego (Sₙ) va a +4 ⇒ la serie no es sumable.
Este ejemplo de serie armónica nos falla para poder afirmar que (xₙ) ⟶ 0 no implica ⁴∑ₙ ₌ ₁xₙ sumable
La serie ⁴∑ₙ ₌ ₁xₙ es sumable o convergente, cuando su sucesión de sumas parciales: (s₁, s₂, s₃, ……) = (x₁, x₁ + x₂, x₁ + x₂ + x₃, ………) es convergente. En dicho caso, al límite de esta sucesión se llama suma de serie y se suele representar de la misma forma que la serie ⁴∑ₙ ₌ ₁xₙ
Ya el contexto dice de lo que hablamos es la serie, o caso de ser sumable de su suma.
Vimos que: ⁴∑ₙ ₌ ₁xₙ es sumable ⇔ (xₙ) ⟶ 0 y que el recíproco es falso.
Ejemplo nº 5
La serie armónica ⁴∑ₙ ₌ ₁1/n no es sumable, aunque (1/n) ⟶ 0
Un ejemplo sorprendente: La serie ⁴∑ₙ ₌ ₁1/n "n sin ceros" la expresión decimal de n no tiene ningún cero: 1 + ½ + …… + ⅑ + 1/11 + …… + 1/99 + 1/111 + 1/112 + ………
Pues bien ocurre que la serie armónica "suma" +4 (no es sumable) mientras que esta sí lo es y su suma es menor que 90.
Veámoslo:
Términos 1/n con n de una cifra hay 9, todos ≤ 1
Términos 1/n con n de dos cifras hay 9², todos < ⅒
Términos 1/n con n de tres cifras hay 9³, todos < 1/100
……………………………………………………………………………
Sea (s₁, s₂, ……) la sucesión de sumas parciales de la serie. Como los términos son positivos, la sucesión es creciente s₁ < s₂ < s₃ < … Por tanto, es sumable si sólo si es acotada. Es acotada si sólo si lo es alguna de la sucesión:
S₉ < 9, s₍₉ ₊ ₉₎² < 9 + 9²/10, s₍₉ ₊ ₉₎²₊₉³ < 9 + 9²/10 + 9³/100, sₙ < 9 + 9²/10 + … + 9ⁿ/10⁽ⁿ ⁻ ¹⁾, esto es una progresión geométrica de primer término 9 y de razón 9/10.
(9-9ⁿ ⁺ ¹/10ⁿ)/(1 - 9/10) ⟶ n ⟶ 4 9/(1-9/10) ⇒ lim (S(9 + …… + 9)ⁿ) = sup {s(9 + …… + 9)ⁿ /n ∈ N} < 90
lim Sₙ ⇒ sup {sₙ /n ∈ N} < 90
Es desconcertante porque parece que quitamos pocos términos, de los 9 primeros no quitamos ninguno, de los 90 siguientes 9, de los 900 siguientes 171, …………
Ejemplo nº 6
Sabiendo que ⁴∑ₙ ₌ ₁1/n no es sumable ("suma" +4) ver que tampoco es ⁴∑ₙ ₌ ₁1/(an + b), donde a, b > 0
Indicación, la sucesión de sumas parciales de esto es creciente como la de la anterior. En las sucesiones convergentes es lo mismo que ser acotada.
¿Qué ocurre en la sucesión armónica generalizada ⁴∑ₙ ₌ ₁1/nᵖ?
Si p < 1 1/n < 1/nᵖ luego 1 + ½ + …… + 1/n < 1 + ½ᵖ + …… + 1/nᵖ
Si p ≤ 1 la serie no es sumable ("suma" +4)
Si p > 1 tenemos 1/nᵖ < 1/n aquel argumento no vale (el que la grande vaya a +4 no implica nada). Vamos a ver que cuando p > 1 ⁴∑ₙ ₌ ₁1/nᵖ es sumable.
1 + ½ᵖ + ⅓ᵖ + ¼ᵖ + 1/5ᵖ + ⅙ᵖ + ⅐ᵖ + ⅛ᵖ + …… + 1/15ᵖ + 1/16ᵖ + …… + 1/31ᵖ + …
S₁ = 1
S₁ ₊ ₂ < 1 + 2/2ᵖ
S₁ ₊ ₂ ₊ ₂² < 1 + 2/2ᵖ + 4/4ᵖ
…………………………………
S1 + 2 + …… + 2ⁿ < 1 + ½ᵖ ⁻ ¹ + ¼ᵖ ⁻ ¹ + ⅛ᵖ ⁻ ¹ + … + 1/(2ᵖ ⁻ ¹)ⁿ = 1 + 1/(2ᵖ ⁻ ¹) + 1/(2ᵖ ⁻ ¹)² + … + 1/(2ᵖ ⁻ ¹)ⁿ = [1 - 1/(2ᵖ ⁻ ¹)ⁿ ⁺ ¹]/(1 - 2ᵖ ⁻ ¹) ⟶ n ⟶ 4 1/(1 - 2ᵖ ⁻ ¹)
Progresión geométrica de primer término 1 y de razón ½ᵖ ⁻ ¹ < 1, luego la sucesión (s1 + 2 + … + 2ⁿ) es acotada ⇒ (sₙ) es creciente y acotada ⇒ es convergente.
Una cosa que nos olvidamos ver en el capítulos de sucesiones:
- Ver que a ∈ A⁻ si sólo si a es límite de alguna sucesión cuyos términos son de A (Indicación: trivialmente, si a ∈ A, entonces a es límite de (a, a, a, …), en otro caso, es decir, cuando a ∈ A⁻ / A, resulta que a ∉ A y estamos en el caso siguiente)
- Ver que a ∈ A' si solo si a es límite de una sucesión cuyos términos son de A y todos distintos, (equivalentemente, todos distintos de a)
xₙ ∈ ]a - 1/n, a + 1/n[, xₙ ≠ x₁, x₂, x₃, ……, x₍ₙ ₋ ₁₎
Autor: Daniel Fernández. España.
Editor: Ricardo Santiago Netto (Administrador de Fisicanet).