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4.3 Konvergenz von Folgen

1. Grundlegende Begriffe: Was ist eine Folge?

Eine Folge in einer beliebigen Menge X ist eine Abbildung

a:NX,na(n).
  • Oft schreibt man anstelle von a(n) das Symbol an.
  • Man nennt dann (an)nN oder vereinfacht (an) eine Folge.
  • Je nachdem, welcher Index als Anfang verwendet wird, kann man auch (an)n0 oder (an)n1 oder (an)n4 schreiben.

Außerdem:

  • Wenn X=R, dann ist (an) eine reelle Folge.
  • Wenn X=C, dann ist (an) eine komplexe Folge.

WARNING

In diesem Abschnitt nur: XK für K{R,C,Q}.

2. Der Konvergenzbegriff

Um zu beschreiben, dass sich die Folgenglieder (an) »einem bestimmten Wert nähern«, spricht man von Konvergenz.

2.1 Formale Definition

Sei (an) eine Folge in K und sei aK.

  1. Man sagt, (an) konvergiert gegen a, wenn für jedes ε>0 ein n0N existiert, so dass|ana|<εfür alle nn0.
  2. Dann ist a der Grenzwert oder Limes der Folge (an) und schreibt dafür:limnan=aoderana(n).
  3. Falls keine solche Zahl a existiert, spricht man von einer divergenten Folge.

INFO

Die ε-n0-Definition stellt sicher, dass man ein globales Kriterium hat, das unabhängig von der »Form« der Folge ist.
Es sagt aus, dass alle Folgenglieder ab irgendeinem Index n0 beliebig nahe an a liegen.

3. Erste Beispiele und Intuition

  1. (an)=(1n)n1

    • Intuitiv wird 1n immer kleiner, je größer n wird. Man erwartet limn1n=0.
  2. (an)=((1)n)nN

    • Diese Folge springt zwischen +1 und 1 hin und her. Sie hat keinen Grenzwert, ist also divergent.
  3. an=n2+2n1n2+2

    • Für große n »ähnelt« der Zähler n2+2n1 dem Nenner n2+2. Man vermutet, dass der Grenzwert 1 sein könnte.
    • Tatsächlich ergibt die formale Betrachtung: limnn2+2n1n2+2=1.

4. Beschränktheit von Folgen

Eine Folge (an) in einem Körper K{R,Q,C} heißt beschränkt,
wenn die Menge an:nN beschränkt ist.

  • Für K{R,Q}: Es existieren m,MR mit manMfür alle n.

  • Für K=C:
    Es existiert M>0 mit |an|Mfür alle n.

Supremum und Infimum (nur für K{R,Q}):

supan:=sup{an:nN},infan:=inf{an:nN}

WARNING

Jede konvergente Folge ist beschränkt

5. Grenzwertberechnung: Regeln und Tricks

Seien (an), (bn), (cn) Folgen in einem Körper K.

Rechenregeln für Grenzwerte

Angenommen limnan=a und limnbn=b. Dann gilt:

(a) Betrag:

  • limn|an|=|a|

(b) Rechenregeln:

  • lim(an+bn)=a+b
  • lim(αan)=αa für alle αK
  • lim(anbn)=ab
  • Falls b0 und bn0 für alle n:
    limanbn=ab

(c) Ordnung erhalten: Falls anbn für alle n und liman=a, limbn=b,
so gilt: ab

(d) Sandwich-Kriterium: Falls ancnbn für alle n und sowohl (an) als auch (bn) konvergieren gegen denselben Grenzwert a, dann gilt: limcn=a

Beispiel 1: Folge vom Typ 1np

Sei pN fest und an=1np. Dann:

1np1nfür alle nN

Da limn1n=0 folgt mit dem Sandwich-Kriterium:

limn1np=0

Beispiel 2: Radikal-Trick (wichtiger Umformungstrick)

Für alle nN gilt:

0n+1n=(n+1n)(n+1+n)n+1+n=(n+1)nn+1+n=1n+1+n

Abschätzung:

1n+1+n12n=121n

6. Divergenz ins Unendliche

Es kann vorkommen, dass (an) nicht konvergent ist, aber die Folgenglieder immer größer werden. Man schreibt dann:

  • an+, falls die Folge »unbeschränkt nach oben« wächst.
  • an, 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:

  1. Monoton wachsend: anan+1 für alle n.
  2. Monoton fallend: anan+1 für alle n.
  3. monoton: Wenn sie eins von beiden ist

Monotonie-Kriterium

Eine monotone und beschränkte Folge ist konvergent.

Begründungsidee:

  • Ist (an) monoton wachsend und nach oben beschränkt, so besitzt die Menge {an} eine kleinste obere Schranke; gegen diese nähert sich die Folge an.
  • Ist (an) monoton fallend und nach unten beschränkt, analog.

Zusammenfassung

  • Folgen sind Abbildungen von N in eine beliebige Menge (häufig R oder C).
  • Eine Folge konvergiert, wenn sie sich einem Grenzwert a nähert, formal beschrieben durch das ε-n0-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).