7 KONVERGENTE FOLGEN 35 und die größe untere Schranke mit bezeichnet haben. inf M = Infimum von M Definition. Sei (a n ) n N eine beschränkte Folge in R. Dann heißt der Limes superior der Folge, und lim sup a n := lim (sup{a k k n}) lim inf heißt Limes inferior der Folge. a n := lim (inf{a k k n}) Zu dieser Definition ist eine Erläuterung erforderlich. Setzt man b n := sup{a k k n} für n N, so ist die Folge (b n ) n N monoton fallend; da sie beschränkt ist, existiert nach (7.5) der Grenzwert lim b n. Man kann also in der Tat wie oben definieren. Entsprechendes gilt für lim inf. Beispiel. a n = ( ) n ( + ). Es ist n + n, falls n gerade, sup{a k k n} = + n +, falls n ungerade. Also ist lim sup a n =. Ferner ist ( + n ), falls n ungerade, inf{a k k n} = ( + n + ), falls n gerade, also lim inf a n =. Der folgende Satz enthält eine äquivalente Definition, die oft besser zu handhaben ist als die ursprüngliche. (7.9) Satz. Sei (a n ) n N eine beschränkte Folge und a R. Dann gilt:
7 KONVERGENTE FOLGEN 36 () lim sup a n a Für jedes ɛ R + ist die Menge {k N a k a + ɛ} endlich. (2) lim sup a n a Für jedes ɛ R + ist die Menge {k N a k a ɛ} unendlich. Entsprechendes gilt für lim inf. Beweis. () : Sei lim sup a n a. Sei ɛ R +. Wäre die Menge {k N a k a + ɛ} unendlich, so wäre also lim sup a n a + ɛ > a, q.e.a. sup{a k k n} a + ɛ für alle n N, : Sei {k N a k a+ɛ} endlich für jedes ɛ R +. Dann gibt es zu gegebenem ɛ R + ein n 0 N mit a k < a + ɛ für n n 0, also sup{a k k n} a + ɛ für n n 0. Es folgt lim sup a n a + ɛ; da ɛ R + beliebig war, folgt lim sup a n a. (2) : Sei lim sup a n a. Sei ɛ R +. Wäre die Menge {k N a k a ɛ} endlich, so existierte ein n 0 N mit a k < a ɛ für n n 0, also sup{a k k n} a ɛ für n n 0. Daraus folgt lim sup a n a ɛ < a, q.e.a. : Sei {k N a k a ɛ} unendlich für jedes ɛ R +. Dann gilt für jedes ɛ R + sup{a k k n} a ɛ für alle n N, also ist lim sup a n a ɛ. Da ɛ R + beliebig war, folgt lim sup a n a. Der folgende Satz macht die Bedeutung von Limes superior und Limes inferior deutlicher und erklärt zugleich die Wahl dieser Bezeichnungen. (7.0) Satz. Sei (a n ) n N eine beschränkte Folge. Dann ist lim sup a n der größte und lim inf a n der kleinste Häufungswert dieser Folge. Beweis. Es genügt, die Behauptung für lim sup zu beweisen. Sei H die Menge der Häufungswerte der Folge (a n ) n N. Nach (7.6) ist H, und H ist beschränkt. Setze s := sup H und lim sup a n =: a. Nach (7.9)() ist für jedes ɛ R + die Menge {k N a k a + ɛ} endlich. Also kann keine Zahl a + ɛ Grenzwert einer Teilfolge (d.h. Häufungswert) sein. Für alle h H gilt also h a, folglich ist s a.
8 REIHEN 37 Beh.: a H [Daraus folgt dann a s, also a = s.] Bew.: Wir konstruieren eine Teilfolge, die gegen a konvergiert. Rekursive Definition: Setze k =. Sei k n schon definiert. Nach (7.9)(2) ist die Menge { k N a k a } n unendlich, also existiert ein k n N mit k n > k n und a kn a /n. Damit ist die Teilfolge (a kn ) n N definiert. Für alle n N gilt (wegen k n n) sup{a k k n} a kn a n. Für n konvergieren beide Seiten gegen a, woraus lim a kn = a folgt. Wir können nun ein weiteres notwendiges und hinreichendes Kriterium für die Konvergenz einer Folge aufstellen. (7.) Satz. Die Folge (a n ) n N konvergiert genau dann, wenn sie beschränkt ist und wenn lim sup a n = lim inf a n ist. Das folgt sofort aus (7.2), (7.7), (7.0). 8 Reihen Unter Verwendung des Grenzwertbegriffes kann man auch für gewisse Folgen (a n ) n N die unendliche Summe a +a 2 +... erklären. Solche unendlichen Reihen sind wichtig, da man spezielle reelle Zahlen oder Funktionen häufig durch Reihen ausdrücken kann. Definition. Sei (a n ) n N eine Folge in R. Man nennt die Zahl s n := a k (n N) die n-te Partialsumme dieser Folge. Die Folge (s n ) n N heißt unendliche Reihe und wird mit bezeichnet. Ist die Folge (s n ) n N konvergent, so wird ihr Grenzwert ebenfalls mit a k bezeichnet. a k
8 REIHEN 38 Hiernach bedeutet a k also zweierlei; das führt erfahrungsgemäß aber nicht zu Mißverständnissen. Nach Definition ist a k = s lim a k = s. Bemerkung. Es ist klar, was unter a k (mit m Z) zu verstehen ist. Beispiel (unendliche geometrische Reihe): Sei q R, q <. Nach (4.6) gilt q k = qn+ q, also Folglich ist q k q = q n+ 0 für n. q q k = q. Konvergenz einer Reihe bedeutet nach Definition nichts anderes als die Konvergenz der zugehörigen Partialsummen-Folge. Die bisher für Folgenkonvergenz gewonnenen Ergebnisse übertragen sich also unmittelbar auf Ergebnisse über Konvergenz von Reihen. Wir wollen diese Resultate im folgenden zusammenstellen. Da es sich nur um Umformulierungen handelt, erübrigt es sich, auf die Beweise einzugehen. Aus (7.3) und (7.4) folgt: (8.) Satz. Seien a k, b k konvergente Reihen und sei λ R. Dann sind die Reihen (a k + b k ) und (λa k) konvergent, und es gilt (a k + b k ) = a k + b k, Gilt a k b k für k N, so ist a k b k. Aus (7.5) folgt: (λa k ) = λ a k. (8.2) Satz. Jede Reihe mit a k 0 für alle k N ist konvergent oder bestimmt divergent.
8 REIHEN 39 Beispiel. An dieser Stelle können wir die gewohnte Praxis rechtfertigen, reelle Zahlen durch (im Prinzip unendliche) Dezimalbrüche darzustellen. Zum Beispiel bedeutet die Schreibweise π = 3, 4592653... ja verabredungsgemäß nichts anderes, als daß π = 3 + 0 + 4 00 + 000 + 5 0000 +... ist, also daß π durch eine gewisse Reihe mit nichtnegativen Gliedern dargestellt werden kann. Daß die Zahl 0 hier in unserer Kultur eine Sonderrolle spielt, hat keine mathematischen, sondern (vermutlich) biologische Gründe. Allgemeiner sei eine Zahl b N, b 2 vorgegeben. Unter einem b-adischen Bruch versteht man eine Reihe der Gestalt ± a k b k mit p N 0, a k N 0, a k < b. k= p Jeder solche b-adische Bruch konvergiert. Zum Beweis genügt es, den Fall p = 0 zu betrachten. Für n N gilt a k b k < b b k < b b k = b2 b. Die Konvergenz folgt also aus Satz (8.2), da die Partialsummenfolge beschränkt ist. Insbesondere stellt also jeder unendliche Dezimalbruch eine reelle Zahl dar. Es ist nicht schwer zu zeigen, daß umgekehrt jede reelle Zahl als b-adischer Bruch dargestellt werden kann (man bestimme die a k rekursiv). Wir fahren fort, Ergebnisse für Folgen auf Reihen umzuformulieren. Ist s n = a k, so ist für m < n s n s m = + a k. Aus Satz (7.8) erhalten wir also sofort die folgende wichtige Aussage. (8.3) Satz (Konvergenzkriterium von Cauchy). Die Reihe a k ist genau dann konvergent, wenn zu jedem ɛ R + ein n 0 N existiert mit m+p a k < ɛ für m n 0 und p N 0.
8 REIHEN 40 Da die Bedingung insbesondere für p = 0 erfüllt sein muß, haben wir: (8.4) Satz. Notwendig für die Konvergenz der Reihe a k ist die Bedingung lim k a k = 0. Diese Bedingung ist aber nicht hinreichend. Beispiel. Die harmonische Reihe k ( ) + ( ) + 2 3 + 4 }{{} > 2 4 = 2 ist bestimmt divergent. Es ist nämlich 5 + 6 + 7 + ) ( + 8 9 +... + ) +... 6 }{{}}{{} > 4 8 = > 8 2 6 = 2 ( + u.s.w., also s 2 n + n, woraus die Behauptung folgt. 2 Beispiel. Für α > ist konvergent. [Dabei sei α N, denn sonst ist bis k α jetzt k α noch nicht erklärt. Wenn aber später k α für α R erklärt sein wird, bleiben Behauptung und Beweis für α > richtig.] Beweis: Sei n N. Wähle m N mit n 2 m+. Dann gilt s n = 2m+ k α ( k = + α 2 + ) +... + α 3 α m 2 r (2 r ) = m (2 α ) r < α r=0 r=0 (2 α ) r = r=0 ( 2 m+ k α k=2 m ) 2 α. Dabei wurde 2 α < (wegen α > ) benutzt. Die Konvergenz folgt jetzt aus Satz (7.2). In Fällen, wo die Voraussetzung von (7.5) nicht erfüllt ist, ist häufig das folgende Kriterium von Nutzen. (8.5) Satz (Leibniz-Kriterium für alternierende Reihen). Ist (a n ) n N0 eine monoton fallende Nullfolge, so ist die Reihe konvergent. ( ) k a k
8 REIHEN 4 Beweis. Setze s n := n ( )k a k. Es gilt s 2n+2 s 2n = a 2n+ + a 2n+2 0, also ist die Folge (s 2n ) n N monoton fallend. Analog ist die Folge (s 2n+ ) n N monoton wachsend. Wegen s 2n+ s 2n = a 2n+ 0 gilt Nach (7.5) existieren also s 2n s 2n+ s und s 2n+ s 2n s 0. a := lim s 2n und b := lim s 2n+. Es ist a b = lim (s 2n s 2n+ ) = lim a 2n+ = 0, also a = b. Sei ɛ R + vorgegeben. Es gibt ein n 0 N mit und es gibt ein n N mit Für m max{n 0, n } gilt also Damit ist ( )k a k = a gezeigt. Absolute Konvergenz s 2n a < ɛ für 2n n 0, s 2n+ a < ɛ für 2n + n. s m a < ɛ. Feinere Konvergenzbetrachtungen für Reihen erfordern eine neue Begriffsbildung. Hierauf werden wir beispielshalber bei der folgenden Fragestellung geführt. Gilt für unendliche Reihen auch ein Kommutativgesetz? Mit anderen Worten: Hängen Konvergenz und Grenzwert einer Reihe von der Reihenfolge der Summanden ab, oder darf man die Summanden beliebig umordnen? Mit einer Umordnung ist folgendes gemeint: Definition. Sei a k eine Reihe und τ : N N eine Permutation (bijektive Abbildung auf sich) von N. Dann heißt die Reihe a τ(k) eine Umordnung der ursprünglichen. Beispiel. Die Reihe n= ( )n+ ist nach dem Leibniz-Kriterium konvergent. n Da n= divergiert, läßt sich leicht eine Umordnung angeben, die divergiert: n Für n N gilt 2 n + + 2 n + 3 +... + 2 n+ > 2n 2 = n+ 4,
8 REIHEN 42 also 2 + 3 4 ( + 5 + ) 7 6 ( + 9 + + 3 + ) 5 8 +... ( ) + 2 n + +... + 2 n+ für n. 2n + 2 Wie sich zeigt, kann etwas derartiges nicht passieren, wenn neben a k auch die Reihe a k konvergiert. Definition. Die Reihe a k heißt absolut konvergent, wenn die Reihe a k konvergiert. (8.6) Satz. Jede absolut konvergente Reihe ist konvergent. Beweis. Sei a k konvergent. Wir zeigen, daß a k die Voraussetzung des Konvergenzkriteriums von Cauchy erfüllt. Sei ɛ R +. Da a k konvergiert, existiert ein n 0 N mit m+p Für diese m, p gilt also erst recht m+p a k a k < ɛ für m n 0, p N 0. m+p Nach (8.3) ist die Reihe a k konvergent. a k < ɛ. Hier wurde die Ungleichung b +... + b n b +... + b n benutzt, die natürlich aus der Dreiecksungleichung durch Induktion herzuleiten ist. (8.7) Satz. (Umordnungssatz). Sei a k eine absolut konvergente Reihe mit Grenzwert a. Dann konvergiert auch jede Umordnung dieser Reihe gegen a.
8 REIHEN 43 Beweis. Sei τ : N N eine Permutation von N. Sei ɛ R + vorgegeben. Da ak konvergiert, gibt es ein m N mit + a k < ɛ 2. Wählen wir ein n 0 N mit {,..., m} {τ(),..., τ(n 0 )}, so gilt für alle n n 0 a τ(k) a m m a τ(k) a k + a k a a k + a k < ɛ. + + Nachdem schon hierdurch (und erst recht im weiteren Verlauf) die Bedeutung von absoluter Konvergenz unterstrichen wird, wollen wir Kriterien für absolute Konvergenz zusammenstellen. Am häufigsten anwendbar ist wohl das folgende: (8.8) Satz (Majorantenkriterium). Seien a k, c k Reihen. Gilt a k c k für alle k N und ist die Reihe c k konvergent, dann ist die Reihe a k absolut konvergent. Beweis. Sei ɛ R +. Da c k konvergiert, existiert ein n 0 N mit Für diese m, p gilt also m+p c k < ɛ für m n 0, p N 0. m+p Aus (8.3) folgt die Behauptung. a k m+p c k < ɛ. Gilt a k c k für k N, so nennt man die Reihe c k eine Majorante der Reihe ak. Eine Reihe ist also absolut konvergent, wenn sie eine konvergente Majorante besitzt. Häufig brauchbare Vergleichsreihen sind die geometrische Reihe (c k = q k, q < ) und die ζ-reihen (c k = k α mit einem α > ). Gilt dagegen a k c k 0 für k N 0, so nennt man die Reihe c k eine Minorante der Reihe a k. Besitzt die Reihe a k eine bestimmt divergente Minorante, so ist sie selbst bestimmt divergent. Eine manchmal brauchbare Vergleichsreihe ist die harmonische Reihe.
8 REIHEN 44 Wenn sich keines der obigen Kriterien unmittelbar anwenden läßt, versuche man es mit einem der folgenden. (8.9) Satz (Quotientenkriterium). Sei a k eine Reihe mit a k 0 für k N. Es gebe eine Zahl q R mit 0 < q < und a n+ a n q für n N. Dann ist die Reihe a n absolut konvergent. Beweis. Aus der Voraussetzung folgert man durch Induktion sofort a n+ q n a. Da die Reihe q n a = a q n wegen q < konvergiert, folgt die Behauptung aus dem Majorantenkriterium. Natürlich genügt es, wenn beim Quotientenkriterium die Voraussetzungen a n 0 und q für fast alle n erfüllt sind. a n+ a n Besonders bequem ist das Quotientenkriterium anzuwenden, wenn es gelingt, a lim n+ a n =: a zu bestimmen, falls dieser Grenzwert existiert. Ist a <, so gilt für beliebiges q mit a < q < jedenfalls a n+ a n < q für fast alle n; die Reihe ist also absolut konvergent. Gilt a >, so gilt a n+ a n für fast alle n. In diesem Fall ist die Reihe divergent, da (a n ) n N keine Nullfolge ist. Im Fall a = kann sowohl absolute Konvergenz als auch Divergenz vorliegen (z.b. n 2 und ). n Beispiel n= n! 3 5 7... (2n + ) Die Formulierung eines weiteren nützlichen Kriteriums erfordert eine Vorbemerkung. Sind Zahlen n N und a R + gegeben, so gibt es eine Zahl b R + mit b n = a. Man schreibt dann b = n a und nennt b die n-te Wurzel aus a. Sie ist eindeutig bestimmt, denn aus 0 < b < c folgt b n < c n. Die Existenz der n-ten Wurzel
8 REIHEN 45 könnten wir bereits an dieser Stelle leicht zeigen; wir verzichten aber darauf, da sie sich später in allgemeinerem Rahmen ergibt. Ferner sei daran erinnert, daß wir in 7 für eine beschränkte Folge (a n ) n N den Limes superior lim sup a n definiert hatten. Wir ergänzen diese Definition noch: Definition. Ist (a n ) n N nicht nach oben beschränkt, so schreibt man Man vereinbart noch > a für a R. lim sup a n =. (8.0) Satz (Wurzelkriterium). Die Reihe n= a n ist absolut konvergent, wenn n lim sup an < ist, und divergent, wenn ist. lim sup n an > Beweis. Sei lim sup n a n =: a <. Dann gibt es ein q < mit n a n q und daher a n q n für fast alle n. Aus dem Majorantenkriterium folgt die absolute Konvergenz der Reihe a n. Ist lim sup n a n >, so gilt a n für unendlich viele n; also ist (a n ) n N keine Nullfolge und daher a n divergent. Bemerkung. Besonders bequem ist die Anwendung des Wurzelkriteriums, wenn lim n a n existiert und bestimmt werden kann. Man beachte, daß das Wurzelkriterium im Fall lim sup n a n = keine Aussage über Konvergenz oder Divergenz der Reihe a n ermöglicht. Absolute Konvergenz spielt auch eine Rolle, wenn wir versuchen, zwei konvergente Reihen gliedweise zu multiplizieren. Betrachten wir zunächst endliche Summen. Es ist (a +... + a n )(b +... + b m ) = a i b j, wo über alle Paare (i, j) {,..., n} {,..., m} (in beliebiger Reihenfolge) zu summieren ist. Wenn wir dies auf unendliche Reihen übertragen wollen, müssen wir für die Paare (i, j) N N eine Reihenfolge festlegen. Es ist übersichtlich, die Paare (i, j) nach wachsendem i + j anzuordnen (und die mit festem i + j beliebig). Man definiert daher folgendermaßen:
8 REIHEN 46 Definition. Seien a k, b k Reihen. Das Cauchy-Produkt dieser Reihen ist die Reihe c k mit c k := k a j b k j = a 0 b k + a b k +... + a k b 0. j=0 (8.) Satz. Sind die Reihen a k und b k absolut konvergent, so ist auch ihr Cauchy-Produkt absolut konvergent, und es gilt ( ) ( ) ( k ) a k b k = a j b k j. j=0 Beweis. Setze k j=0 a jb k j =: c k. Partialsummen bezeichnen wir mit den entsprechenden großen Buchstaben, also A n := a k, B n := b k, C n := c k.. Beh.: lim (A n B n C n ) = 0. Beweis: Sei ɛ R + gegeben. Es ist mit Setze A n B n C n = i n j n a i b j i+j n a i b j = (i,j) Γ n a i b j Γ n := {(i, j) N 0 N 0 i n, j n, i + j > n}. ( ) ( ) D n := a k b k = i n j n a i b j. Nach Voraussetzung und (7.3) ist die Folge (D n ) n N konvergent, also existiert nach (7.8) ein n 0 N mit D n D n0 < ɛ für n n 0. Es ist D n D n0 = (i,j) n a i b j
9 DIE EXPONENTIALREIHE 47 mit n := {(i, j) N 0 N 0 i n, j n} \ {(i, j) N 0 N 0 i n 0, j n 0 }. Für alle n 2n 0 gilt Γ n n und daher A n B n C n (i,j) n a i b j Damit ist die. Behauptung bewiesen. Aus der. Behauptung folgt nach (7.3) ( lim C n = lim A n (i,j) Γ n a i b j = D n D n0 < ɛ. ) ( ) lim B n. 2. Beh.: c k konvergiert absolut. Beweis: Setze c k := k j=0 a j b k j. Da die Reihen a k, b k absolut konvergieren, konvergiert nach dem Vorstehenden die Reihe c k. Es gilt c k k a j b k j = c k. j=0 Nach dem Majorantenkriterium ist c k absolut konvergent. 9 Die Exponentialreihe Als erste Anwendung des Vorstehenden behandeln wir nun die Exponentialreihe. Viele für die Analysis und ihre Anwendungen wichtige reelle Funktionen werden durch unendliche Reihen definiert. Als erstes und besonders wichtiges Beispiel hierfür wollen wir jetzt die Exponentialfunktion einführen. Warum sie zum Beispiel bei der Beschreibung physikalischer Vorgänge, aber auch in anderen Anwendungsgebieten, oft auftritt, läßt sich allerdings erst gut erklären, wenn wir die Differentiation von Funktionen eingeführt haben. Einen Hinweis gibt aber schon (9.4). (9.) Satz. Für jedes x R ist die Reihe n=0 x n n!