חשבון אינפיניטסימלי/גבולות/משפטים בסיסיים: הבדלים בין גרסאות בדף

מתוך ויקיספר, אוסף הספרים והמדריכים החופשי
תוכן שנמחק תוכן שנוסף
Costello (שיחה | תרומות)
מאין תקציר עריכה
Costello (שיחה | תרומות)
אין תקציר עריכה
שורה 45: שורה 45:


{{הוכחה|
{{הוכחה|
נתון כי <math>\lim_{n \to \infty}a_n = L</math>, כלומר לכל <math>\ \varepsilon > 0</math> קיים <math>\ N_0</math> כך שלכל <math>\ n> N</math> מתקיים <math>\ \left| a_n - L \right| < \varepsilon</math>.

לכל <math>\ \varepsilon > 0</math> נבחר <math>\ N = max \left\{ N_0, n_0 \left\}</math>, ואז לכל <math>\ n > N</math> יתקיים -
<center><math>\ \left| b_n - L \right| = \ \left| a_{n+p} - L \right| < \varepsilon</math></center>
ולכן <math>\lim_{n \to \infty}b_n = L</math>
}}}}
}}}}

גם המשפט הזה עלול להראות לא ברור, אך הוא משפט חשוב ביותר - ולמעשה גם פשוט ביותר. המשפט הזה בעצם אומר שאם סדרה מסויימת מתכנסת לגבול מסויים, וסדרה אחרת זהה לסדרה הראשונה החל ממקום מסויים - גם הסדרה השנייה מתכנסת לאותו גבול. או לחילופין - אם לוקחים סדרה מתכנסת, מוסיפים לה מספר סופי של איברים, מחסירים ממנה מספר סופי של איברים, ומשנים בה מספר סופי של איברים - זה לא ישפיע על הגבול שלה. הסיבה שהמשפט הזה נכון היא פשוטה - בהתכנסות של סדרה אנחנו לא מסתכלים על האיברים הראשונים בסדרה, למעשה אנחנו לא מסתכלים על אף איבר בסדרה שניתן להצמיד לו מספר - אנחנו מסתכלים מה קורה לאברי הסדרה כשאנחנו מתקדמים לעבר האינסוף, ולכן שינוי שנעשה גם באיבר המליון, המליארג או ה[[w:גוגול|גוגול]] הוא זניח, ולא משפיע על הגבול. עם זאת יש לשים לב שמספר האיברים שאנו משנים בסדרה חייב להיות סופי, אפשר להסיר את 17 האיברים הראשונים, להחליף את האיבר ה42 ב-33 ולהוסיף במקום המליון ואחד את המספר <math>\pi</math> - והגבול של הסדרה לא ישתנה, אבל אם למשל נוסיף את המספר 2 אחרי כל איבר עשירי - הרי ששינינו אינסוף איברים, והמשפט כבר לא יכול לעזור לנו לחשב את הגבול של הסדרה החדשה.


{{חשבון אינפיניטסימלי/גבולות|מוגבל}}
{{חשבון אינפיניטסימלי/גבולות|מוגבל}}

גרסה מ־22:54, 26 בינואר 2008

חשבון אינפיניטסימלי










לאחר שהכרנו את מושג הגבול ואת הגדרת הגבול נעבור למספר משפטים שיציגו תכונות שונות של גבולות ושל סדרות מתכנסות -


משפט:

אם קיים כך שלכל טבעי מתקיים אזי

הוכחה: לכל קיים שעבורו מתקיים -

ולכן


למעשה כבר ראינו דוגמא למשפט הזה בעמוד הקודם, עבור הסדרה שבה , המשפט תקף גם לכל מספר אחר, למשל -

מתקיים -



משפט:

אם אזי

הוכחה: על פי אי שוויון המשולש השני -

נתון כי לכן לכל קיים כך שלכל מתקיים - . אזי לכל נבחר את אותו ה-, ואז -

ולכן


אם נסתכל למשל על הסדרה - -

נראה כי הגבול שלה הוא . לכל נבחר ואז יתקיים -

לכן . כעת אם נרצה לדעת מה הגבול של הסדרה כלומר כל מה שצריך הוא להשתמש במשפט כדי לדעת כי .



משפט:

סדרה מתכנסת מתכנסת לגבול יחיד


הוכחה: נתון כי , צריך להוכיח כי אם מתקיים גם אזי
נניח בשלילה כי , כך ש . ונניח בלי הגבלת הכלליות כי
נתון כי ולכן לכל , ובפרט עבור מתקיים כי כל אברי הסדרה, פרט למספר סופי של אברים נמצאים בסביבה של , כלומר אינסוף מאברי הסדרה מקיימים
נתון גם כי ולכן לכל , ובפרט עבור מתקיים כי כל אברי הסדרה, פרט למספר סופי של אברים נמצאים בסביבה של , כלומר מקיימים
וזאת בסתירה לכך שאינסוף מאברי הסדרה מקיימים . לכן ההנחה שגויה, ו-



הוכחה זו עלולה להראות מעט סתומה בתחילה, ולכן נתעמק במשפט ובהוכחה. המשפט טוען כי אם ידוע לנו כי סדרה מסויימת שואפת לגבול מסויים - לא ייתכן כי אותה הסדרה תשאף גם לגבול אחר. כלומר אם אנחנו יודעים כי סדרה שואפת לאפס למשל, לא ייתכן שהיא שואפת גם ל-42. הוכחת המשפט הזה, כמו הוכחות רבות אחרות, מתבססת על הנחה בשלילה - אנו מתחילים את ההוכחה בהנחה כי משהו הוא נכון - מבצעים פעולות מתמטיות שאנחנו יודעים כי הן נכונות, ומגיעים לסתירה. כיוון שכל מה שעשינו בדרך פרט להנחה המקורית היה נכון - סימן שההנחה שגויה, הנקודה הבעייתית היא לנסח את ההנחה כך שעל ידי ההוכחה כי ההנחה שגויה יתברר כי המשפט נכון.

דבר נוסף שעשינו בתחילת ההוכחה היה להגיד "נניח בלי הגבלת הכלליות". משמעות הניסוח הזה היא שעומדים לפנינו שני מצבים שונים, שהדרך להוכיח אותם היא זהה לחלוטין, למעט הסימנים פלוס () או מינוס (), וקטן מ () או גדול מ (). בדרך כלל משפט זה יופיע בהוכחות שבהן אנחנו יודעים כי שני מספרים שונים זה מזה אך לא יודעים מי גדול יותר (ואין זה משנה את התוצאה - אלא רק את הדרך להראות אותה) או במקרים בהם צריך לטפל בנפרד במספרים חיוביים ושליליים.

ההוכחה עצמה התבססה על ההגדרה הראשונה של הגבול, ואם ננסח אותה בלשון מעט פחות מתמטית - אם הסדרה מתכנסת לגבול מסויים, ואנחנו רוצים להוכיח כי היא אינה מתכנסת למספר אחר נבחר סביבה בגודל מחצית ההפרש בינהם. הבחירה הזו יוצרת הפרדה בין הסביבה של הגבול הידוע לסביבה של המספר החדש - וכיוון שאנחנו יודעים איפנה נמצאים אינסוף מאברי הסדרה (בסביבת הגבול הידוע) לא ייתכן כי הם נמצאים בסביבת המספר החדש - ולכן הוא אינו גבול של הסדרה.


עכשיו תורכם:

בהוכחת המשפט הנחנו בלי הגבלת הכלליות כי כלומר ניתן היה לבצע את אותה ההוכחה עם שינויי סימן וכיוון גם עבור . נסח את ההוכחה המדוייקת עבור המקרה הזה.



משפט:

יהיו שתי סדרות. אם וקיימים שני מספרים שלמים כך שלכל מתקיים אזי גם


הוכחה: נתון כי , כלומר לכל קיים כך שלכל מתקיים . לכל נבחר הפענוח נכשל (שגיאת תחביר): {\displaystyle \ N = max \left\{ N_0, n_0 \left\}} , ואז לכל יתקיים -

ולכן



גם המשפט הזה עלול להראות לא ברור, אך הוא משפט חשוב ביותר - ולמעשה גם פשוט ביותר. המשפט הזה בעצם אומר שאם סדרה מסויימת מתכנסת לגבול מסויים, וסדרה אחרת זהה לסדרה הראשונה החל ממקום מסויים - גם הסדרה השנייה מתכנסת לאותו גבול. או לחילופין - אם לוקחים סדרה מתכנסת, מוסיפים לה מספר סופי של איברים, מחסירים ממנה מספר סופי של איברים, ומשנים בה מספר סופי של איברים - זה לא ישפיע על הגבול שלה. הסיבה שהמשפט הזה נכון היא פשוטה - בהתכנסות של סדרה אנחנו לא מסתכלים על האיברים הראשונים בסדרה, למעשה אנחנו לא מסתכלים על אף איבר בסדרה שניתן להצמיד לו מספר - אנחנו מסתכלים מה קורה לאברי הסדרה כשאנחנו מתקדמים לעבר האינסוף, ולכן שינוי שנעשה גם באיבר המליון, המליארג או הגוגול הוא זניח, ולא משפיע על הגבול. עם זאת יש לשים לב שמספר האיברים שאנו משנים בסדרה חייב להיות סופי, אפשר להסיר את 17 האיברים הראשונים, להחליף את האיבר ה42 ב-33 ולהוסיף במקום המליון ואחד את המספר - והגבול של הסדרה לא ישתנה, אבל אם למשל נוסיף את המספר 2 אחרי כל איבר עשירי - הרי ששינינו אינסוף איברים, והמשפט כבר לא יכול לעזור לנו לחשב את הגבול של הסדרה החדשה.


- משפטים בסיסיים -