Sorozatok

1. Sorozatok A diasorozat az Analízis 1. (Mozaik Kiadó 2005.) c. könyvhöz készült. Készítette: Dr. Ábrahám István

2. Az ún. felsőbb matematika egyik alapfogalma, a határérték viszonylag könnyen megérthető a számsorozatok tanulmányozásával. A sorozat: valósszámok egymásutánja. A matematikában használatos a sorozat szó akkor is, amikor az elemek nem valós számok (algebrai kifejezések, függvények, stb.). Mi most csak valós számsorozatokkal foglalkozunk. Például: A sorozatot mindig végtelen sok elemből állónak értelmezzük. A végessok elemű sorozat az általános értelemben vett, tehát a végtelen sorozat része. A sorozat megadása Sorozatot megadni csak a sorozatképzés szabályának közlésével lehetséges! Végtelen sok elemet egymás után leírni (kimondani, feltüntetni) ugyanis lehetetlen, ehhez végtelen sok időre lenne szükség, tehát csak szabállyal tudunk sorozatot megadni! A sorozat megadható: Például: 1. Szóbeli közléssel A sorozatot az egész számok négyzetei alkotják. Ennek a sorozatnak az „eleje”: (0, 1, 4, 9, 16,…) 2. A sorozat egy részének konkrét megadásával Olyan részletet adunk meg a sorozatból, amelyen a szabályosság látszik, amely szerint folytatni tudnánk a többi elem felvételét. Például: (0; 2; 4; 6; 8,…). A felsorolás az egyes elemek megadásával is történhet: a1=0, a2=2, a3=4 és így tovább.

3. 3. Képlettel Például a (0; 2; 4; 6; 8,…) sorozat megadható így is: a1=0 és an=an-1+2. „A sorozat első tagja 0 és bármelyik tagot megkapjuk, ha az előtte lévőhöz 2-t adunk.” Ez a sorozat rekurzív („visszafutó”) megadási módja. (Viszonylag ritkán használjuk.) a sorozat minden egyes tagjának értékét közvetlenül a tag sorszámával adjuk meg. Direkt képlet: Például a (0, 2, 4, 6, 8, …) sorozat esetén az általános tag a direkt képlettel: an=2n–2, ahol n N+. A későbbiekben az n mindig pozitív egész, ezt külön nem jelöljük. Vagy az sorozat általános eleme: Megjegyzések: 1. Ha csak an -t írunk, akkor egyetlen számot, a sorozatnak egyik (n értékétől függően bármelyik) tagját, az általános elemet adjuk meg. Például: az (1, 4, 9, 16, …) sorozat általános eleme: an=n2. Ha a sorozat egészéről van szó, akkor a jelölésünk: (n2), vagy (an=n2), vagy (an). Ha viszont ennek a sorozatnak egy részéről beszélünk, például a (4, 9, 16, 25, 36) ötelemű részsorozatról, akkor ezt így jelöljük: 2. A matematikában élesen megkülönböztetjük a sorozat és a sor kifejezéseket. Sorozat a számok egymásutánja. A sor formálisan az elemek összegét jelenti.

4. Például: az egy sorozat, amelynek általános eleme: Viszont az egy sor! A sorokkal a fejezet végén foglalkozunk. A sorozatok jellemzői 1. Monotonítás A monotonitás a sorozat tagjai között állandó, azonos jellegű nagyságviszonyt jelent. Például az sorozat minden tagja kisebb, mint az előtte lévő. Egy sorozat szigorúan monoton csökkenő, ha minden tagra: an+1 < an. A sorozat szigorúan monoton növekvő, ha minden tagra: an+1>an. Példa: Az (an)=(n2 )=(1, 4, 9, 16,…) sorozat szigorúan monoton növekvő. Vannak olyan sorozatok, ahol az „azonos jellegű nagyságviszony” egyenlőség is lehet. (A sorozat tagjai: az n/3 szám egész része, azaz entier (antyié) n/3.) Példa: = (0, 0, 1, 1, 1, 2, 2, 2, 3,…). A fenti sorozat monoton növekvő, tehát ekkor: an+1 an. Létezik monoton csökkenő sorozat is, például: (bn )=(–an )=( 0, 0, –1, –1, –1, –2, …).

5. Megjegyzések A csupa azonos számból álló sorozatot (ilyen is van!) egyszerre monoton növekvőnek és csökkenőnek mondjuk. A monotonitás a sorozat minden tagja közötti azonos jellegű nagyságviszonyt jelenti. Ha ez nem áll fenn, akkor a sorozat nem monoton. Például az an =sin(n·1o)(a sorozat általános tagja: „szinusz n-szer egy fok”)nem monoton. Ugyanis sorozat első 90 eleme a szigorúan monoton növekvő jellegű, de a következő 180 tagra a csökkenés érvényes. A szakaszonként más utasítással megadott („összefésült”) sorozat lehet monoton is, de lehet nem monoton is. Például: az általános elemű sorozat monoton növekvő. általános tagú sorozat nem monoton. Ugyanakkor a Hiszen: (bn )=(– 1/2, –1, 1, 1, 1/2, 1/3,…) Igaz viszont, hogy az sorozat szigorúan monoton csökkenő. De a teljes (bn) sorozatra nem érvényes az „azonos jellegű nagyságviszony” feltétel. Így a (bn ) sorozat összességében nem monoton.

6. A monotonitás vizsgálata Tagadó értelemben egyszerű a dolgunk: ha akár egyetlen esetben találunk kivételt a tagok között az „azonos jellegű nagyságviszony” feltételre, akkor a sorozat nem monoton. A vizsgálatban az általános tag és a közvetlen szomszédja viszonyát nézzük meg. Például: az általános tagú sorozat esetén: Gyanítható a kiszámolt értékekből, hogy a sorozat növekvő. Vizsgáljuk általában az egymást követő tagokat: Az n+1-edik tagot kiszámoljuk: így a reláció: Átalakítások után (szorzás, egyszerűsítés) kapjuk: 9>4, ami biztosan igaz. Így a kezdeti kérdőjeles reláció is biztosan igaz, mert az ekvivalens a 9>4 relációval. Tehát an+1>an minden n-re, azaz a sorozat szigorúan monoton nő. A monotonitás vizsgálható az an– an-1különbséggel is. Ha ez pozitív minden n-re, akkor a sorozat szigorúan monoton nő, ha negatív, akkor sz. m. csökkenő. Pozitív tagú sorozatoknál az an+1 és az anhányadosával is vizsgálható a monotonitás. Ha a hányados nagyobb 1-nél, akkor növekvő, ha kisebb, akkor csökkenő a sorozat.

7. 2. Korlátosság Ha a sorozat minden eleme két szám között található, akkor a sorozat korlátos. Például az általános tag esetén: sorozat minden eleme 0 és 1 közé esik. Így ez a sorozat korlátos. Emlékeztető: a sorozat maga: Ez most így is jelölhetjük: az alsó korlát: Ka=0, a felső: Kf =1. Ha a sorozat korlátos, akkor végtelen sok korlátja van, hiszen minden, az alsó korlátnál kisebb szám is alsó korlát, és minden a felső korlátnál nagyobb szám pedig felső korlát. Elnevezés: egy adott sorozatnál a felső korlátok közül a létező legkisebbet felső határnak vagy pontos felső korlátnak nevezzük. Hasonlóan: az alsó korlátok közül a létező legnagyobbatalsó határnak vagy pontos alsó korlátnak nevezzük. A későbbiekben korláton a pontos alsó, illetve felső korlátot értjük, ha külön másként nem fogalmazunk. A sorozatokat vizsgálni szoktuk korlátosság szempontjából is, ezt viszont általában célszerű összekötni a konvergencia vizsgálattal.

8. 3. Konvergencia „Konvergencia: összetart, közös cél felé halad.” A sorozatok közül néhánynál észre vehetjük, hogy a tagok egy vagy több szám körül sűrűsödnek, torlódnak, konvergálnak. Például: az sorozat tagjai n növelésével egyre közelebb kerülnek a nullához. A konvergencia, a sorozat határértéke fogalmának megértéséhez előkészületeket teszünk. Környezet Egy A szám  (epszilon) sugarú környezetén értjük azokat a számokat, amelyeknek eltérése (a számegyenesen a távolságuk) A-tól kisebb, mint . ( >0, az  távolság.) az A=8-nak =4 sugarú környezetébe tartozik az egész számok közül az 5, 6; 7 és a 9; 10, 11. Például: A valós számkörben viszont minden olyan x szám beletartozik ebbe a környezetbe, amely 8-4=4-nél nagyobb, és 8+4=12-nél kisebb. Jelölések: felírható 4 és 12 közötti x-ekre: x  ]8-ε; 8+ε[, ahol ε=4. Mindegyik írásmód azt fejezi ki, hogy az x-ek eltérése 8-tól kisebb, mint ε=4. Ugyanez másképpen: 8-ε< x <8+ε Illetve ugyanez újabb más alakban: |x–8|< ε. Definíció: az A szám ε > 0 környezetébe azok az x számok tartoznak, amelyekre: |x–A|< ε.

9. Torlódási pont Az (an ) sorozatnak a T szám torlódási pontja, ha a T tetszőlegesen kicsi ε sugarú környezetében a sorozatnak végtelen sok eleme van. Például: az sorozatnak a 0 torlódási pontja. Ugyanis bármilyen kicsi ε értéket adunk meg, a sorozatnak végtelen sok eleme lesz a 0ε su- garú környezetében. Más példa: a (bn )=((-1)n )=(-1, 1, -1,…) sorozatnak két torlódási pontja van, a –1 és a 1. Hiszen e két szám akármilyen kicsi környezetében végtelen sok elem (–1, vagy 1) található. Vagy: a (cn )=(n2) sorozatnak nincs torlódási pontja. Lehet olyan ε értéket találni, hogy egyetlen szám ε környezetében sincs végtelen sok elem. A korlátosság és a torlódási pont létezése között szoros kapcsolat van. Ezt mutatja a: Bolzano-Weierstrass tétel: korlátos sorozatnak mindig van legalább 1 torlódási pontja. A bizonyítás alapgondolata: Ha az (an ) korlátos, akkor minden eleme két korlát, a Ka és a Kf között található. A két korlát által meghatározott intervallumot megfelezzük és azt a részt, amelyben a soro- zatnak végtelen sok eleme van, újra felezzük és így tovább. A felezgetést (elvileg) „végtelenszer” megismételjük, ekkor a végtelen sok elemet tartalmazó Intervallum ponttá zsugorodik, ez a torlódási pont.

10. A határérték Elnevezés: ha egy korlátos sorozatnak egyetlen torlódási pontja van, akkor azt a torlódási pontot határértéknek nevezzük. Példa: sorozat konvergens, mert korlátos, és egyetlen torlódási pontja van, a 0. De a (bn )=((–1)n ) sorozat nem konvergens, mert bár korlátos, de két torlódási pontja van, a –1 és a 1. Valamint: a (c n)=(n2 ) sorozat nem konvergens, mert nem korlátos, hiszen bármilyen nagy tagjánál van nagyobb eleme és torlódási pontja sincs. A nem konvergens sorozatot divergensnek nevezzük. A konvergencia jelölése: lim an =A. (Az A a határérték.) Például: (an )A, vagy egyszerűen: an A. Más jelölés: Például: Vagy: (A lim a latin limes (határ) szó rövidítése.) A sorozat határértékének kiszámolásához a fenti meghatározást nem tudjuk kihasználni. Definíció: az (an ) sorozat határértéke az A szám, ha az A tetszőleges kicsiny környe- zetén belül a sorozatnak végtelensok eleme van, a környezeten kívül pedig véges sok az elemek száma. A definícióban ugyanazt fogalmaztuk meg, amit a bevezető elnevezésben: a konvergenciá- hoz korlátosságés egyetlen torlódási pont létezése szükséges.

11. Cauchy féle határérték definíció: Az (an) sorozat határértéke az A szám, ha tetszőleges (pozitív) ε-hozminden esetben található olyan no küszöbindex, hogy ha n > no , akkor |an –A|<ε. Például: az sorozat határértéke A=2. Ugyanis ha az ε környezetet tetszőleges kicsire választjuk, egy bizonyos no-tól kezdve a so- rozat összes további, tehát a végtelen sok tag már belül lesz az A szám ε sugarú környezetén. (Az |an -A|< ε éppen ezt fejezi ki.) Tegyünk próbát: ha ε=0,01, akkor a küszöbindexet úgy kapjuk, hogy behelyettesítünk az egyenlőtlenségbe: A megoldás: n > 99. Ez azt jelenti: ha a küszöbszám, no=99, akkor a sorozatban az ennél nagyobb sorszámú (indexű) tagok „távolsága” 2-től kisebb, mint 0,01. Valóban: például a 100-adik tagnál a határértéktől való eltérés: A 200-adik tagnál a távolság 2-től: =0,004975.

12. A Cauchy definíciótetszőleges ε-ról szól, így elvégezzük általánosan a küszöbindex keresést a fenti példánknál: Ebből: Rendezés: Tehát ha no -nak (az 1/ε –1 egész részét) választjuk, akkor már mindig igaz, hogy ha n > no, akkor a sorozat tagjai az adott ε-nál „pontosabban” közelítik meg az A=2-t. Ha az ε például 0,0817 lenne, akkor a példánkban a küszöbindex no =[(1/0,0817)-1]=11 lesz. A divergens sorozatok speciális esete A nem konvergens sorozatok között vannak ú.n. valódi divergens sorozatok, amelyeket felfoghatunk úgy, hogy azok a végtelenbe (vagy a mínusz végtelenbe) „konvergálnak”. Például az an=n2 sorozat tagjai „minden határon túl nőnek”, a „végtelenhez tartanak”. Jelölés: (n2), illetve lim n2 = . Definíció: az (an) sorozat határértéke a , ha tetszőlegesen nagy P számhoz mindig megadható olyan no, hogy ha n > no, akkor an > P. A –-bekonvergáló sorozat definíciója hasonló (akármilyen N negatív számnál kisebbek lesznek a sorozat tagjai). Például a bn=1–n2sorozat a –-be konvergál: lim(1-n2 )= –.

13. Nevezetes határértékek Az állítás igazolása a Cauchy definícióval történik. Bizonyítás: a megsejtett A=0 számhoz kell tetszőleges ε-hoz tartozó küszöbszámot ta- lálni, amelyre igaz, hogy minden n>no esetén mindig: |an -A|<ε. Az egyenlőtlenségünk: Ebből: , akkor már mindig igaz lesz: Ian -AI<ε, ha a sorozat bármelytagjának sorszáma nagyobb no-nál. Ha tehát A qn sorozat határértéke: A q értéke konstans, bármilyen valós számérték lehet a q. Például: 2nés 0,5n -. Bizonyítás: lásd tankönyv. Az sorozat határértéke: Nem bizonyítjuk. Sok természeti és társadalmi folyamat leírásánál használjuk ezt a sorozatot, illetve en- nek a határértékét, az ún. Euler (ajler) féle e számot, amely egy irracionális szám.

14. A korlátosság, a monotonitás és a konvergencia összefüggései A sorozatok három jellemzője közötti kapcsolatot úgy vizsgáljuk, hogy két jellemző ismere- tében milyen következtetés adódik a harmadik jellemzőre. 1. Ha a sorozat monoton és konvergens, akkor korlátos. Ez nyilvánvaló, hiszen a konvergenciának szükséges feltétele a korlátosság. Jól kihasználható, hogy növekvő sorozatnál az alsó korlát az első elem, a felső korlát pedig a határérték. Ugyanis ha a sorozat növekvő, akkor a „határérték közeléből nem fordulhat vissza”. Csökkenő sorozatnál a felső korlát az első elem, az alsó korlát a határérték. sorozatnál korábban láttuk: lim an =2. Például az A monotonitás vizsgálatához felírjuk az első 3 tagot: Gyanítjuk, hogy csökkenő a sorozat, azaz: Konkrétan: A törtes egyenlőtlenségből átalakítások után kapjuk: 5<6. Ekvivalens átalakításokkal egy biztosan igaz relációt kapunk, ekkor általánosanérvényes, hogy an+1 < an, tehát a sorozat szigorúan monoton csökken. Így a sorozat felső korlátja az első elem: Kf=2,5 és az alsó korlát a határérték: Ka=2.

15. 2. Ha a sorozat monoton és korlátos, akkor konvergens is. Növekvő sorozatnál a határérték a felső korlát, csökkenőnél az alsó korlát a határérték. Lehet például a mintasorozat ehhez az 1/n általános tagú sorozat. Az alsó korlát, a 0 alá nem kerülhetnek a csökkenő sorozat elemei, tehát ott (és sehol máshol) „sűrűsödniük” kell (hiszen végtelen sok tagja van a sorozatnak), azaz a 0 határérték. Természetesen egy növekvő sorozatnál az alsó korlát az első elem, a csökkenő sorozatnál pedig az első elem a felső korlát. 3. Ha a sorozat korlátos és konvergens, akkor nem biztos, hogy monoton. Például: az sorozat alsó korlátja –1, a felső 0,5, van határérték: A=0. A sorozat nem monoton, nincs azonos jellegű nagyságviszony a tagok között. Határérték tételek A nevezetes határértékek és a határértékre vonatkozó összefüggések, műveleti szabályok segítségével a sorozatok jellemzőiegyszerűbben határozhatók meg. 1. Tétel: A határértékképzés „művelettartó”, azaz ha (an)A és (bn) B, akkor (an)(bn) = (an±bn)A±B, (an)(bn) = (an∙bn)A∙B és (ha bn0 és B 0.) A művelettartás függvényekre is érvényes lehet, például: ha (an)A, akkor (sinan)sinA.

16. Például: legyen az , ekkor: lim an=e, és legyen bn=5. Tudjuk: lim bn=5. A tagok összegéből képzett sorozatra: lim (an+bn)=e+5, a szorzatra: lim (bn∙an)=5∙e. A tétel bizonyításának alapgondolata: a megfelelő alakban felvett tetszőlegesen kicsiny környezethez mindig találunk „kívánt tulajdonságú” (Cauchy!) küszöbszámot. 2. Tétel: ha az (an) nullsorozat és a (bn) sorozat korlátos, akkor a két sorozat megfelelő tagjai szorzatából képzett sorozat is nullsorozat. Tehát: ha lim an=0 és (bn) korlátos, akkor lim an ∙bn=0. Például az nullsorozat , mert a cosn korlátos (Ka= –1, Kf = 1) és A tétel bizonyítása egyszerű: ha a tetszőlegesen kicsiny környezethez találunk „megfelelő tulajdonságú küszöbszámot”, máris végeztünk (lásd: tankönyv). 3. Tétel: Ha (an)A és (bn)A, valamint a cn sorozat minden elemére igaz, hogy: an cn bn, akkor: (cn)A. A tételt szokták rendőr szabálynak is nevezni: ha két rendőr ugyanoda tart, akkor az általuk szorosan közrefogott személy is ugyanoda megy. A tételt nem bizonyítjuk. Példa: számoljuk ki az Megoldás: a tört számlálóját is, nevezőjét is osztjuk n-nel: Hiszen: sorozat határértékét!

17. Példa: számoljuk ki a következő sorozat határértékét: A határérték számolásához „előkészítjük”, átalakítjuk a sorozat általános tagjának képletét: A számlálót is és a nevezőt is osztjuk 4n-nel: A határérték tehát 1,2, mert az nullsorozat, és alkalmaztuk a művelettartás szabályát. A sorozatok komplex vizsgálata Gyakran előfordul, hogy adott sorozatot mindhárom jellemző szerint vizsgálnunk kell. Ilyenkor célszerű előbb a határértéket számolni (ha létezik), majd a monotonitásról kell nyilatkozni, és ezek ismeretében a korlátosságot már egyszerűen eldönthetjük. Példa: végezzük el a következő sorozat komplex vizsgálatát: A gyanunk az, hogy a sorozat nö- vekvő (mert ez az első néhány tagon úgy látszik). 1.) lim an=2, 2.) Monotonitás: 3.) Korlátosság Ebből: 2n2+3n+1>2n2 +3n-2, azaz: 1>-2 Az utolsó reláció és így a felette lévők is biztosan igazak, tehát (an) növekvő. Ha a sorozat növekvő, akkor: Ka=a1=0,5 és Kf A=2.

18. A sorozatok komplex vizsgálatánál gyakori, hogy küszöbszámot is keresünk. Például a vizsgált sorozatunknál adjuk meg az  =0,01-hez tartozó küszöbszámot! Láttuk, hogy a határérték2. Alkalmazzuk a Cauchy definíciót: Átalakítás (közös nevező, rendezés) után: n >299=n0. Tehát a sorozat tagjai a 300-adik tagtól kezdve belül lesznek a 2-nek 0,01 sugarú környezetén. Megjegyzés: az (an) sorozatnak Aja jobboldali határértéke, ha minden anAj. Az (an) sorozatnak Aba baloldali határértéke, ha minden anAb. A jobboldali határértéket a sorozat tagjai „alulról közelítik”, a baloldalit pedig felülről. A fenti példánkban az A=2 jobboldali határérték. A konvergens sorozatok a határértéket „mindkét oldalról” közelíthetik, például, ha: akkor a sorozat oszcillálva (váltakozó irányból) közelíti a nullát. A sorozatok komplex vizsgálata sok gyakorlást igényel. A példatárak nagy számban tartalmaznak erre a célra feladatokat. Rajta!

19. A sorok konvergenciája Az (an)=(a1, a2, a3 ,…) sorozatbólsort képezhetünk: a1+a2+a3 +…=(jelölés)= Értelmezhetjük a sor értékét: Az (sn) a sor tagjaiból képzett részletösszeg sorozatot jelenti a következőképpen: s1=a1, s2=a1+a2, s3=a1+a2+a3, s4=…, általánosan: sn=a1+a2+a3+…+an. Definíció: A sor értéke akkor létezik, ha a részletösszeg sorozat konvergens. Ekkor az (sn) sorozat határértékét tekintjük a sor értékének. Példa: számoljuk ki a következő végtelen mértani sor értékét: M=a1+ a1q+a1q2…+a1qn-1+...= Megoldás: A sorhoz készíthető részletösszeg sorozat: sn= a1+ a1q+a1q2+…+a1qn-1. Ekkor: Ha n , akkor csak a qn határértékét kell tekintenünk. (A többi érték a képletben nem függ n-től) A lim qn =0, ha IqI<1. Ha q=1, a sorozat csupa azonos értékből áll. Máskor a (qn) divergens. Példa: Így: M= Ekkor: A fejezet tárgyalását befejeztük.