4.3 Konvergenz von Folgen
1. Grundlegende Begriffe: Was ist eine Folge?
Eine Folge in einer beliebigen Menge
- Oft schreibt man anstelle von
das Symbol . - Man nennt dann
oder vereinfacht eine Folge. - Je nachdem, welcher Index als Anfang verwendet wird, kann man auch
oder oder schreiben.
Außerdem:
- Wenn
, dann ist eine reelle Folge. - Wenn
, dann ist eine komplexe Folge.
WARNING
In diesem Abschnitt nur:
2. Der Konvergenzbegriff
Um zu beschreiben, dass sich die Folgenglieder
2.1 Formale Definition
Sei
- Man sagt,
konvergiert gegen , wenn für jedes ein existiert, so dass - Dann ist
der Grenzwert oder Limes der Folge und schreibt dafür: - Falls keine solche Zahl
existiert, spricht man von einer divergenten Folge.
INFO
Die
Es sagt aus, dass alle Folgenglieder ab irgendeinem Index
3. Erste Beispiele und Intuition
- Intuitiv wird
immer kleiner, je größer wird. Man erwartet .
- Intuitiv wird
- Diese Folge springt zwischen
und hin und her. Sie hat keinen Grenzwert, ist also divergent.
- Diese Folge springt zwischen
- Für große
»ähnelt« der Zähler dem Nenner . Man vermutet, dass der Grenzwert sein könnte. - Tatsächlich ergibt die formale Betrachtung:
.
- Für große
4. Beschränktheit von Folgen
Eine Folge
wenn die Menge
Für
: Es existieren mit Für
:
Es existiertmit
Supremum und Infimum (nur für
WARNING
Jede konvergente Folge ist beschränkt
5. Grenzwertberechnung: Regeln und Tricks
Seien
Rechenregeln für Grenzwerte
Angenommen
(a) Betrag:
(b) Rechenregeln:
für alle - Falls
und für alle :
(c) Ordnung erhalten: Falls
so gilt:
(d) Sandwich-Kriterium: Falls
Beispiel 1: Folge vom Typ
Sei
Da
Beispiel 2: Radikal-Trick (wichtiger Umformungstrick)
Für alle
Abschätzung:
6. Divergenz ins Unendliche
Es kann vorkommen, dass
, falls die Folge »unbeschränkt nach oben« wächst. , falls die Folge »unbeschränkt nach unten« abnimmt.
Auch dieser Fall gilt offiziell als divergent im klassischen Sinn (da kein endlicher Grenzwert existiert).
7. Konvergenzkriterien: Monotonieverhalten
Eine monotone Folge ist eine Folge, deren Glieder immer nur in eine Richtung gehen:
- Monoton wachsend:
für alle . - Monoton fallend:
für alle . - monoton: Wenn sie eins von beiden ist
Monotonie-Kriterium
Eine monotone und beschränkte Folge ist konvergent.
Begründungsidee:
- Ist
monoton wachsend und nach oben beschränkt, so besitzt die Menge eine kleinste obere Schranke; gegen diese nähert sich die Folge an. - Ist
monoton fallend und nach unten beschränkt, analog.
Zusammenfassung
- Folgen sind Abbildungen von
in eine beliebige Menge (häufig oder ). - Eine Folge konvergiert, wenn sie sich einem Grenzwert
nähert, formal beschrieben durch das - -Kriterium. - Divergenz bedeutet, dass kein endlicher Grenzwert existiert. Hierzu zählt auch das Streben nach
. - Beschränkte Folgen bleiben in einem endlichen Wertebereich. Das ist eine Voraussetzung für diverse Konvergenzkriterien.
- Monotonieverhalten (wachsend/fallend) und Beschränktheit ermöglichen einfache Schlüsse über Konvergenz (Monotonie-Kriterium).