Folgen und Konvergenz

Warum unendliche Listen von Zahlen manchmal ein Ziel haben und manchmal nur herumspringen.

Jetzt geht es los mit Analysis. Bisher haben wir sozusagen nur das Vokabular gelernt (Mengen, Logik, Körperaxiome), aber jetzt schauen wir uns an, wie sich Dinge bewegen. Folgen und der Grenzwertbegriff sind das fundamentale Werkzeug, um den Begriff der Unendlichkeit greifbar zu machen. Darauf wird alles Weitere aufbauen.

Was ist eine Folge?

Definition

Beispiel

Sequence Example

Die Folge an=1na_n = \frac{1}{n} sieht ausgeschrieben so aus: 1,0.5,0.333,0.25,1, 0.5, 0.333, 0.25, \dots. Hier ist M=R\mathcal{M} = \mathbb{R}. Das ist eine klassische reelle Folge. Es ist völlig egal, ob wir in R\mathbb{R}, Rd\mathbb{R}^d oder C\mathbb{C} sind, das Prinzip bleibt gleich: Für jede natürliche Zahl gibt es genau einen zugeordneten Wert.

Konvergenz

Intuition

Convergence Intuition

Das ist das wichtigste Konzept dieses Kapitels. Stell dir einen Schlauch (oder Tunnel) um einen bestimmten Wert LL vor. Die Dicke dieses Schlauchs ist 2ε2\varepsilon. Eine Folge konvergiert gegen LL, wenn egal wie eng du diesen Schlauch machst (ε\varepsilon klein wählst), die Folge irgendwann in diesen Schlauch hineingeht und nie wieder herauskommt. Es dürfen am Anfang ein paar Punkte wild herumspringen (sogar eine Million), aber da es unendlich viele Punkte gibt, muss der "Rest" der Ewigkeit im Schlauch bleiben.

Definition

Beispiel

Convergence Example

Betrachte wieder an=1na_n = \frac{1}{n}. Wir vermuten den Grenzwert L=0L = 0. Sei ε>0\varepsilon > 0 beliebig (zum Beispiel ε=0.001\varepsilon = 0.001). Wir suchen ein NN, ab dem der Abstand an0<0.001|a_n - 0| < 0.001 ist. Das ist äquivalent zu 1n<0.001\frac{1}{n} < 0.001 oder n>1000n > 1000. Wir können also N=1001N = 1001 wählen. Allgemein wählen wir für jedes ε\varepsilon ein N>1εN > \frac{1}{\varepsilon}. Damit ist die Konvergenz bewiesen.

Gegenbeispiel

Convergence Counterexample

Die Folge an=(1)na_n = (-1)^n, also 1,1,1,1,-1, 1, -1, 1, \dots. Angenommen, sie konvergiert gegen L=1L = 1. Ich wähle ε=0.5\varepsilon = 0.5. Der Schlauch geht also von 0.50.5 bis 1.51.5. Aber für alle ungeraden nn ist an=1a_n = -1, was weit ausserhalb dieses Schlauchs liegt. Egal wie weit wir in der Folge gehen (wie gross wir NN wählen), es wird immer wieder Glieder geben, die bei 1-1 landen und damit ausserhalb des Schlauchs liegen. Die Folge divergiert.

Alternative Definition

Im Kontext der Vorlesung habt ihr vielleicht auch die Formulierung gehört: "Die Menge der Ausreisser M(ε)={nNanLε}M(\varepsilon) = \{n \in \mathbb{N} \mid |a_n - L| \geq \varepsilon\} ist endlich." Das ist exakt dasselbe. Wenn nur endlich viele Punkte draussen sind, müssen ab einem gewissen Punkt (dem Maximum dieser Ausreisser-Indizes + 1) alle im Schlauch drinnen sein.

Sandwich-Theorem (Einschnürungssatz)

Intuition

Sandwich Intuition

Stell dir vor, zwei Polizisten (ana_n und bnb_n) eskortieren einen Betrunkenen (cnc_n) zur Wache. Ein Polizist läuft links vom Weg (ana_n), einer rechts (bnb_n), und der Betrunkene torkelt irgendwo dazwischen (ancnbna_n \leq c_n \leq b_n). Wenn beide Polizisten sich am Eingang der Wache treffen, hat der Betrunkene keine Wahl. Er muss auch durch die Tür.

Satz

Beispiel

Sandwich Example

Wir suchen den Grenzwert von cn=sin(n)nc_n = \frac{\sin(n)}{n}. Wir wissen, dass der Sinus immer zwischen -1 und 1 schwankt. Also gilt: 1nsin(n)n1n-\frac{1}{n} \leq \frac{\sin(n)}{n} \leq \frac{1}{n} Wir setzen an=1na_n = -\frac{1}{n} und bn=1nb_n = \frac{1}{n}. Da an0a_n \to 0 und bn0b_n \to 0, muss zwangsläufig auch cn0c_n \to 0 gelten. Wir haben den komplizierten Sinus einfach "weggedrückt".

Gegenbeispiel

Betrachte an=0a_n = 0, bn=1b_n = 1 und cn=12+12(1)nc_n = \frac 1 2 + \frac 1 2 (-1)^n (pendelt zwischen 0 und 1). Es gilt zwar ancnbna_n \leq c_n \leq b_n, und ana_n sowie bnb_n konvergieren (gegen 0 bzw. 1). Aber da die Grenzwerte der äusseren Folgen nicht gleich sind (010 \neq 1), zwingen sie die mittlere Folge zu nichts. Die mittlere Folge divergiert in diesem Fall fröhlich weiter.

Übungen

  1. Verständnis: Eine Folge ist beschränkt, wenn sie nicht ins Unendliche abhaut (z.B. an<M|a_n| < M).

    • (a) Ist jede konvergente Folge beschränkt?
    • (b) Ist jede beschränkte Folge konvergent?
  2. Bestimme den Grenzwert von an=3n2+52n2na_n = \frac{3n^2 + 5}{2n^2 - n}.

  3. Wenn ich behaupte, an0a_n \to 0, und du findest ein einziges ε=0.1\varepsilon = 0.1, für das unendlich viele Glieder ausserhalb des Intervalls (0.1,0.1)(-0.1, 0.1) liegen, was hast du dann gezeigt?

  4. Warum reicht es nicht aus, dass aufeinanderfolgende Glieder einer Folge immer näher zusammenrücken, um Konvergenz zu zeigen?