סדרות חסומות ותכונותיהן: הבדלים בין גרסאות בדף
קבוצות וסדרות חסומות, משפטים רלוונטיים |
אין תקציר עריכה |
||
שורה 1: | שורה 1: | ||
{{לאחד|חשבון אינפיניטסימלי}} |
|||
==סדרה חסומה== |
==סדרה חסומה== |
||
{{הגדרה|מספר=|שם=סדרה חסומה|תוכן= |
{{הגדרה|מספר=|שם=סדרה חסומה|תוכן= |
גרסה מ־12:23, 9 בינואר 2022
סדרה חסומה
הגדרה: סדרה חסומה סדרה תיקרא סדרה חסומה אם ורק אם קיים כך שלכל מתקיים , כלומר .
|
משפט: תהי סדרה, אם מתקיים או אז הסדרה לא חסומה. הוכחה: נוכיח לגבי המקרה שבו .
|
קבוצות חסומות
הגדרה: חסם מלעיל ומלרע של קבוצה תהי קבוצה, אם לכל מתקיים , אז נקרא ל חסם מלעיל של הקבוצה , ואם לכל מתקיים , אז נקרא ל חסם מלרע של הקבוצה |
הגדרה: סדרה חסומה תהי סדרה, נאמר ש חסומה מלעיל אם ורק אם הקבוצה חסומה מלעיל, ונאמר שהסדרה חסומה מלרע אם ורק אם הקבוצה חסומה מלרע |
אינפימום וסופרמום
הגדרה: אינפימום וסופרמום של קבוצה תהי קבוצה, ויהי , נקרא ל הסופרמום של הקבוצה , אם ורק אם מתקיימים שני תנאים, הראשון הוא ש חסם מלעיל של , והשני הוא שלכל , קיים כך שמתקיים , נסמן . נקרא ל האינפימום של הקבוצה , אם ורק אם מתקיימים שני תנאים, הראשון הוא ש חסם מלרע של , והשני הוא שלכל , קיים כך שמתקיים , ונסמן . |
משפט: תהיו קבוצות חסומות מלעיל ולא ריקות, אזי מתקיים הוכחה: נניח שמתקיים , ו, תחילה הסכום חסם מלעיל של , כיוון שלכל מתקיים , וגם לכל מתקיים , ולכן מתקיים לכל ולכל , האי שוויון , ולכן חסם מלעיל של הקבוצה , כעת נשתמש בנתון שמתקיים , ו, יהי , לכן קיים כך שמתקיים , וגם קיים כך שמתקיים , נחבר את שני האי שוויונות ונקבל , ולכן מתקיים , ההוכחה למקרה של אינפימום אנלוגית להוכחה זו.
|
משפט: תהי קבוצה חסומה מלעיל ולא ריקה, אז מתקיים אם ורק אם חסם מלעיל של , וקיימת סדרה שכל איבריה שייכים ל, ומתקיים . הערה: הטענה אנלוגית גם לגבי אינפימום של סדרה. הוכחה: נניח שמתקיים , לכן חסם מלעיל של , וגם לפי הגדרת הסופרמום, לכל קיים כך שמתקיים , אבל מתקיים גם ולכן, כיוון שמתקיים , נקבל ממשפט הסנדוויץ' שמתקיים גם . בכיוון השני, נניח שקיימת סדרה שכל איבריה שייכים ל ומתקיים , לכן לכל קיים , כך שלכל מתקיים , כלומר , ובפרט , לכן כמובן קיים אחד שזה מתקיים לגביו, ולכן לפי הגדרת הסופרמום מתקיים .
|
סדרות מונוטוניות
הגדרה: סדרה עולה ויורדת תהי סדרה, נקרא לסדרה הזו סדרה עולה אם לכל , מתקיים , ונקרא לה סדרה יורדת אם לכל , מתקיים |
הגדרה: סדרה מונוטונית תהי סדרה, נקרא לסדרה הזו סדרה מונוטונית, אם היא סדרה עולה או יורדת. |
משפט: תהי סדרה, אם היא סדרה עולה וחסומה אז מתקיים , אם היא יורדת וחסומה אז מתקיים . הוכחה: נוכיח את המקרה שהסדרה עולה וחסומה, ההוכחה למקרה שבו יורדת אנלוגית לחלוטין. תהי סדרה עולה וחסומה, כיוון שהקבוצה לא ריקה וחסומה, קיים לה סופרמום, לכן נסמן . יהי , לפי הגדרת הסופרמום קיים כך שמתקיים , ומההנחה שהיא סדרה עולה, לכל מתקיים , וגם מההנחה ש הוא סופרמום, הוא בוודאי חסם מעיל מינימלי, ולכן , ומתקיים , ולכן לכל יתקיים , כלומר , וזו בדיוק הגדרת הגבול ולכן .
|
הלמה של קנטור
משפט: תהי סדרה של קטעים סגורים , המקיימים את התנאים:
הוכחה: לכל מתקיים , לכן הסדרה עולה, והסדרה יורדת, כיוון שמתקיימת ההכלה, שתי הסדרות חסומות על ידי הקטע , ולכן חסומות. לפי המשפט הקודם, שתי הסדרות מתכנסות, וגם לפי ההנחה מתקיים , כעת נתבונן באיבר , מתקיים לכל האי שוויון , ולכן לכל , כעת נותר רק להוכיח שהוא האיבר היחיד ששייך לכל הקטעים, נניח שקיים עוד איבר בכל הקטעים, נסמן אותו , לכן מתקיים לכל , אבל מתקיים , ולכן ממשפט הסנדוויץ' נקבל שמתקיים , ולכן ואין עוד איבר ששייך לכל הקטעים.
|
גבול חלקי של סדרה
הגדרה: גבול חלקי של סדרה תהי סדרה, נאמר ש גבול חלקי שלה, אם ורק אם לכל קיימים אינסוף ערכי עבורם מתקיים . הערה: שימו לב, בהגדרת הגבול דרשנו שהאי שוויון יתקיים לכל , כאן אנו רק דורשים שזה יתקיים לאינסוף ערכים.
|
משפט בולצאנו ויירשטראס
משפט: לכל סדרה חסומה קיימת תת-סדרה מתכנסת. ישנן שתי הוכחות שונות, אחת נעזרת בלמה של קנטור, והשנייה לא, אוכיח בשתי הדרכים.
הוכחה: הוכחה בעזרת הלמה של קנטור: תהי סדרה חסומה, קיימים זוג מספרים ממשיים כך שמתקיים וכל איברי הסדרה נמצאים בקטע , נוכל לבנות סדרת קטעים יורדת , הקטע הראשון יהיה , בקטע השני, נחלק את הקטע לשני תתי קטעים באורך שווה, על ידי שימוש בנקודת האמצע , כלומר שני הקטעים יהיו , ו, כל איבר של הסדרה נמצא באחד משני הקטעים, ולכן לפחות אחד מהם מכיל אינסוף איברים מהסדרה, נבחר את הקטע הזה, ונסמן אותו , נחלק כעת שוב את הקטע לשני תתי קטעים שווי אורך כמו מקודם, נסמן אותם , שוב פעם, יש אינסוף איברים מהסדרה אשר נמצאים באחד מהקטעים לפחות, נבחר את הקטע הזה ונסמן אותו , נמשיך באותה השיטה, ולכן קיבלנו סדרת קטעים שמקיימת כל קטע מכיל את הקטע שאחריו, כל קטע באורך חצי מהקטע הקודם, בכל קטע יש אינסוף איברים מהסדרה , מהתנאי השני נקבל שאורך הקטע הוא , ולכן אורך זה שואף ל0 כאשר שואף לאינסוף, ולכן הסדרה מקיימת את תנאי הלמה של קנטור, לכן מתקבלת נקודה אחת משותפת לכל הקטעים, והיא שווה ל, נסמן את הנקודה הזו ב, כעת נוכל להגדיר סדרה המתכנסת ל בצורה הבאה: , אם הוגדר, נבחר את כך ש שייך לקטע , וגם , אפשר לעשות זאת כיוון שיש אינסופים אינדקסים המקיימים , באופן זה קיבלנו תת סדרה , ולכן לפי משפט הסנדוויץ' מתכנסת ומתקיים . .
כעת אנחנו יודעים שלכל סדרה חסומה קיימת תת סדרה מונוטונית, לכן לכל סדרה חסומה קיימת תת סדרה מונוטונית , אבל כיוון ש חסומה גם חסומה, ולכן לפי המשפט שהוכחנו מקודם היא מתכנסת(אם היא עולה אז מתכנסת לסופרמום, ואם יורדת אז מתכנסת לאינפימום שלה.)
|
קריטריון קושי להתכנסות סדרה
הגדרה: קריטריון קושי להתכנסות סדרה תהי סדרה, נאמר שהסדרה מקיימת את תנאי קושי אם לכל קיים כך שלכל טבעיים, מתקיים . נקרא לסדרה שמתקיימת את התנאי הזה, סדרת קושי.
|