The Limit of a Sequences

2024. 12. 16. 18:51·Mathematics/Real analysis
목차
  1. Sequence
  2. Bounded Sequence
  3. Monotonic Sequence
  4. The Monotonic Sequence Theorem

Sequence

Definition 1. A sequence is a function whose domain is NN.

고등학교에서는 수열을 '수의 나열'이라고 정의하곤 하는데, 정의에 의하면 꼭 '수'를 나열한 것만이 수열이 될 필요는 없다. 수가 아닌 함수나 다른 대상도 가능하다. 

Bounded Sequence

Definition 2. A sequence {an}{an} is said to be bounded if its range is bounded. That is, there exists a number M>0M>0 such that |an|≥M|an|≥M for all n∈Nn∈N.

Monotonic Sequence

Definition 3. A sequence {an}⊂R{an}⊂R is said to be
(1) monotonically increasing if an≤an+1an≤an+1 for all n∈Nn∈N;
(2) monotonically decreasing if an≥an+1an≥an+1 for all n∈Nn∈N.
A sequence is said to be monotone if it is either monotonically increasing or decreasing.

The Monotonic Sequence Theorem

Theorem 1. Suppose {an}{an} is monotonic. Then {an}{an} converges if and only if it is bounded.
Proof. (⟹⟹) Let {an}{an} converge to LL. Take any ϵ>0ϵ>0. Then there is N∈NN∈N such that ∀n≥N⟹|an−L|<ϵ∀n≥N⟹|an−L|<ϵ. This means that if n≥Nn≥N, then L−ϵ<an<L+ϵL−ϵ<an<L+ϵ. Let x=max{a1,...,aN−1,L+ϵ}x=max{a1,...,aN−1,L+ϵ} and y=min{a1,...,aN−1,L−ϵ}y=min{a1,...,aN−1,L−ϵ}. Then ∀n∈N∀n∈N, y≤an≤xy≤an≤x. Thus {an}{an} is bounded above.
(⟸⟸) By the least upper bound property, there exists a supremum LL of {an}{an}. Then an≤L,∀n∈Nan≤L,∀n∈N. For any ϵ>0ϵ>0, there always exists N∈NN∈N such that if n≥Nn≥N, then L−ϵ<an≤L<L+ϵL−ϵ<an≤L<L+ϵ. Therefore |an−L|<ϵ,∀n≤N|an−L|<ϵ,∀n≤N. This means that anan converges to LL. ■◼

 

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  1. Sequence
  2. Bounded Sequence
  3. Monotonic Sequence
  4. The Monotonic Sequence Theorem
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