Теорема Вейерштрасса о пределе монотонной последовательности
Любая монотонная ограниченная последовательность < xn > имеет конечный предел, равный точной верней границе, sup < xn > для неубывающей и точной нижней границе, inf < xn > для невозрастающей последовательности.
Любая монотонная неограниченная последовательность имеет бесконечный предел, равный плюс бесконечности, для неубывающей и минус бесконечности, для невозрастающей последовательности.
1) Пусть последовательность является неубывающей ограниченной последовательностью.
Поскольку последовательность неубывающая, то для всех n выполняются неравенства:
Поскольку последовательность ограничена, то она имеет точную верхнюю границу
Поскольку последовательность неубывающая, то при имеем:
Здесь мы также использовали (1.3). Комбинируя с (1.2), находим:
Это и означает, что число является пределом последовательности .
2) Пусть теперь последовательность является невозрастающей ограниченной последовательностью:
Поскольку последовательность ограничена, то она имеет точную нижнюю границу
Поскольку последовательность невозрастающая, то при имеем:
Здесь мы также использовали (2.3). Учитывая (2.2), находим:
Это и означает, что число является пределом последовательности .
Теперь рассмотрим неограниченные последовательности.
3) Пусть последовательность является неограниченной неубывающей последовательностью.
Поскольку последовательность неубывающая, то для всех n выполняются неравенства:
Поскольку последовательность является неубывающей и неограниченной, то она неограниченна с правой стороны. Тогда для любого числа M существует такой номер , зависящий от M , для которого
Поскольку последовательность неубывающая, то при имеем:
Итак, для любого числа M существует такое натуральное число , зависящее от M , так что для всех номеров выполняются неравенства:
Это означает, что предел последовательности равен плюс бесконечности:
4) Наконец рассмотрим случай, когда является неограниченной невозрастающей последовательностью.
Аналогично предыдущему, поскольку последовательность невозрастающая, то
Поскольку последовательность является невозрастающей и неограниченной, то она неограниченна с левой стороны. Тогда для любого числа M существует такой номер , зависящий от M , для которого
Поскольку последовательность невозрастающая, то при имеем:
Итак, для любого числа M существует такое натуральное число , зависящее от M , так что для всех номеров выполняются неравенства:
Это означает, что предел последовательности равен минус бесконечности:
Пользуясь теоремой Вейерштрасса, доказать сходимость последовательности:
Представим последовательность в виде рекуррентных формул:
Докажем, что заданная последовательность ограничена сверху значением
Доказательство выполняем методом математической индукции.
Докажем, что последовательность монотонно возрастает.
Поскольку , то знаменатель дроби и первый множитель в числителе положительные. В силу ограниченности членов последовательности неравенством (П1), второй множитель также положителен. Поэтому
То есть последовательность является строго возрастающей.
Поскольку последовательность возрастает и ограничена сверху, то она является ограниченной последовательностью. Поэтому, по теореме Вейерштрасса, она имеет предел.