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LibreTexts Español

3.1: Secuencias

( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\)

En la discusión anterior se utilizó el término “secuencia” sin darle un significado matemático preciso. Rectificemos esto ahora.

Definición 3.1.1

Una secuencia es una lista de infinitamente 1 muchos números con un orden especificado. Se denota

{a1, a2, a3, , an, }or{an}or{an}n=1

A menudo especificaremos una secuencia escribiéndola de manera más explícita, como

\ comenzar {reunir*}\ Grande\ {a_n = f (n)\ Grande\} _ {n=1} ^\ infty\ fin {reunir*}

dondef(n) hay alguna función desde los números naturales hasta los números reales.

Ejemplo 3.1.2 Tres secuencias y otra

Aquí hay tres secuencias.

\ begin {alinear*} &\ Grande\ {1,\\ frac {1} {2},\\ frac {1} {3},\\ cdots,\\ frac {1} {n},\\ cdots\ Grande\} &&\ texto {o} &&\ Grande\ {a_n=\ frac {1} {n}\ Grande\} _ {n=1}\ infty\\ &\ Grandes\ {1,\ 2,\ 3,\\ cdots,\ n,\\ cdots\ Grandes\} &&\ texto {o} &&\ Grandes\ {a_n=n\ Grandes\} _ {n=1} ^\ infty\\ &\ Grandes\ {1,\ -1,\ -1,\ -1,\\ cdots ,\ (-1) ^ {n-1},\\ cdots\ Grande\} &&\ texto {o} &&\ Grande\ {a_n= (-1) ^ {n-1}\ Grande\} _ {n=1} ^\ infty\ end {alinear*}

No es necesario que exista una fórmula simple explícita para elnth término de una secuencia. Por ejemplo, los dígitos decimales deπ es una secuencia perfectamente buena

{3, 1, 4, 1, 5, 9, 2, 6, 5, 3, 5, 8, 9, 7, 9, 3, 2, 3, 8, 4, 6, 2, 6, 4,  }

pero no hay una fórmula simple 2 para elnth dígito.

Nuestra principal preocupación con las secuencias será el comportamiento dean comon tiende al infinito y, en particular, sian “se asienta” o no a algún valor comon tiende al infinito.

Definición 3.1.3

{an}n=1Se dice que una secuencia converge al límiteA sian se acercaA comon tiende al infinito. Si es así, escribimos

limnan=AoranA as n

Se dice que una secuencia converge si converge a algún límite. De lo contrario se dice que diverge.

El lector debe reconocer inmediatamente la similitud con límites al infinito

\ comenzar {reunir*}\ lim_ {x\ a\ infty} f (x) = L\ qquad\ hbox {si}\ qquad f (x)\ a L\ texto {as} x\ a\ infty\ fin {reunir*}

Ejemplo 3.1.4 Convergencia en el Ejemplo 3.1.2

Tres de las cuatro secuencias del Ejemplo 3.1.2 divergen:

  • La secuencia{an=n}n=1 diverge porquean crece sin ataduras, en lugar de acercarse a algún valor finito, comon tiende al infinito.
  • La secuencia{an=(1)n1}n=1 diverge porquean oscila entre+1 y1 en lugar de acercarse a un solo valor comon tiende al infinito.
  • La secuencia de los dígitos decimales deπ también diverge, aunque la prueba de que este es el caso está un poco más allá de nosotros ahora mismo 3.

La otra secuencia en el Ejemplo 3.1.2 tienean=1n. Asn tiende al infinito,1n tiende a cero. Entonces

limn1n=0

Ejemplo 3.1.5limnn2n+1

Aquí hay un ejemplo un poco menos trivial. Estudiar el comportamiento den2n+1 comon, es una buena idea escribirlo como

n2n+1=12+1n

Comon, el1n en el denominador tiende a cero, así que el denominador2+1n tiende a2 y12+1n tiende a12. So

\ comenzar {reunir*}\ lim_ {n\ fila derecha\ infty}\ frac {n} {2n+1} =\ lim_ {n\ fila derecha\ infty}\ frac {1} {2+\ frac {1} {n}} =\ frac {1} {2}\ fin {reunir*}

Observe que en este último ejemplo, realmente estamos usando técnicas que usábamos antes para estudiar límites infinitos comolimxf(x). Esta experiencia puede transferirse fácilmente a lidiar conlimnan límites utilizando el siguiente resultado.

Teorema 3.1.6

Si

limxf(x)=L

y sian=f(n) para todos los enteros positivosn, entonces

limnan=L

Ejemplo 3.1.7limnen

Establecerf(x)=ex. Entoncesen=f(n) y

\ begin {align*}\ text {since}\ lim_ {x\ rightarrow\ infty} e^ {-x} &=0 &\ text {sabemos que} &&\ lim\ limits_ {n\ rightarrow\ infty} e^ {-n} &=0\ end {align*}

El grueso de las reglas para la aritmética de límites de funciones que ya conoces también se aplican a los límites de secuencias. Es decir, las reglas que aprendiste a trabajar con límites comolimxf(x) también se aplican a límites comolimnan.

Teorema 3.1.8 Aritmética de límites

DejarA,B yC ser números reales y dejar que las dos secuencias{an}n=1 y{bn}n=1 converjan haciaA yB respectivamente. Es decir, supongamos que

\ begin {alinear*}\ lim_ {n\ a\ infty} a_n&=A &\ lim_ {n\ a\ infty} b_n &=B\ end {alinear*}

Entonces se mantienen los siguientes límites.

  1. limn[an+bn]=A+B

    (El límite de la suma es la suma de los límites.)

  2. limn[anbn]=AB

    (El límite de la diferencia es la diferencia de los límites.)

  3. limnCan=CA.
  4. limnanbn=AB

    (El límite del producto es el producto de los límites.)

  5. SiB0 entonceslimnanbn=AB

    (El límite del cociente es el cociente de los límites siempre que el límite del denominador no sea cero).

Utilizamos estas reglas para evaluar los límites de secuencias más complicadas en términos de los límites de secuencias más simples, tal como lo hicimos para los límites de funciones.

Ejemplo 3.1.9 Aritmética de límites

Combinando los Ejemplos 3.1.5 y 3.1.7,

limn[n2n+1+7en]=limnn2n+1+limn7enby Theorem 3.1.8(a)=limnn2n+1+7limnenby Theorem 3.1.8(c)

y luego usando los Ejemplos 3.1.5 y 3.1.7

\ begin {align*} &=\ frac {1} {2} + 7\ cdot 0\\ &=\ frac {1} {2}\ end {align*}

También hay un teorema de squeeze para secuencias.

Teorema 3.1.10 Teorema de Squeeze

Siancnbn para todos los números naturalesn, y si

limnan=limnbn=L

entonces

limncn=L

Ejemplo 3.1.11 Un simple apretón

En este ejemplo utilizamos el teorema squeeze para evaluar

limn[1+πnn]

dondeπn está el dígitonth decimal de Esπ. decir,

π1=3π2=1π3=4π4=1π5=5π6=9

No tenemos una fórmula simple paraπn. Pero sí sabemos que

0πn90πnn9n11+πnn1+9n

y también sabemos que

\ comenzar {reunir*}\ lim_ {n\ fila derecha\ infty} 1 = 1\ qquad\ lim_ {n\ fila derecha\ infty}\ Grande [1+\ frac {9} {n}\ Grande] = 1\ fin {reunir*}

Así que el teorema squeeze conan=1,bn=1+πnn, ycn=1+9n da

limn[1+πnn]=1

Por último, recordemos que podemos calcular el límite de la composición de dos funciones usando continuidad. De la misma manera, tenemos el siguiente resultado:

Teorema 3.1.12 Funciones continuas de los límites

Silimnan=L y si la funcióng(x) es continua enL, entonces

limng(an)=g(L)

Ejemplo 3.1.13limnsinπn2n+1

Escribirsinπn2n+1=g(n2n+1) cong(x)=sin(πx). Vimos, en el Ejemplo 3.1.5 que

limnn2n+1=12

Ya queg(x)=sin(πx) es continuo en elx=12, que está el límite den2n+1, tenemos

limnsinπn2n+1=limng(n2n+1)=g(12)=sinπ2=1

Con esta introducción a las secuencias y algunas herramientas para determinar sus límites, ahora podemos volver al problema de entender las sumas infinitas.

Ejercicios

Etapa 1
1

Suponiendo que las secuencias continúen como se muestra, estime el límite de cada secuencia a partir de su gráfica.

image-470.svgimage-471.svgimage-472.svg

2

Supongamosan ybn son secuencias, yan=bn para todosn100, menosanbn paran<100.

Verdadero o falso:limnan=limnbn.

3

Dejar{an}n=1,{bn}n=1, y{cn}n=1, ser secuencias conlimnan=A,limnbn=B, ylimncn=C. asumirA,B, yC son números reales distintos de cero.

Evaluar los límites de las siguientes secuencias.

  1. anbncn
  2. cnn
  3. a2n+5bn
4

Dé un ejemplo de una secuencia{an}n=1 con las siguientes propiedades:

  • an>1000para todosn1000,
  • an+1<anpara todosn, y
  • limnan=2
5

Dé un ejemplo de una secuencia{an}n=1 con las siguientes propiedades:

  • an>0para todos, incluson,
  • an<0para todos los imparesn,
  • limnanno existe.
6

Dé un ejemplo de una secuencia{an}n=1 con las siguientes propiedades:

  • an>0para todos, incluson,
  • an<0para todos los imparesn,
  • limnanexiste.
7

Los límites de las siguientes secuencias se pueden evaluar utilizando el teorema squeeze. Para cada secuencia, elija una secuencia límite superior y una secuencia de límite inferior que funcione con el teorema de squeeze.

  1. an=sinnn
  2. bn=n2en(7+sinn5cosn)
  3. cn=(n)n
8

A continuación se muestra una lista de secuencias y una lista de funciones.

  1. Haga coincidir cada secuenciaan con todas y cada una de las funciones def(x) manera quef(n)=an para todos los números enterosn.
  2. Haga coincidir cada secuenciaan con todas y cada una de las funciones def(x) manera quelimnan=limxf(x).

\ begin {align*} a_n &= 1+\ dfrac {1} {n} & f (x) &=\ cos (\ pi x)\\ b_n &= 1+\ dfrac {1} {|n|} & g (x) &=\ dfrac {\ cos (\ pi x)} {x}\\ c_n&=e^ {-n} & h (x) &=\ begin {cases}\ frac {x+1} {x} &x\ text {es un número entero}\\ 1&\ text {else}\ end {cases}\\ d_n&= (-1) ^n & i (x) &=\ begin {cases} \ frac {x+1} {x} &x\ text {es un número entero}\\ 0 &\ text {else}\ end {cases}\\ e_n&=\ dfrac {(-1) ^n} {n} & j (x) &=\ dfrac {1} {e^x}\ end {align*}

9

Let{an}n=1 Ser una secuencia definida poran=cosn.

  1. Dar tres números enteros diferentesn que están dentro de 0.1 de un múltiplo entero impar deπ, y encontrar los valores correspondientes dean.
  2. Da tres números enteros diferentes den tal manera quean esté cerca de0. Justificar tus respuestas.

Comentario: esto demuestra intuitivamente, aunque no rigurosamente, por qué nolimncosn está definido. Constantemente encontramos términos en la serie que están cerca1, y también constantemente encontramos términos en la serie que están cerca de 1. Contraste esto con una serie como{cos(2πn)}, cuyos términos son siempre 1, y cuyo límite por lo tanto es 1. Es posible convertir las ideas de esta cuestión en una prueba rigurosa que nolimncosn está definida. Ver la solución.

Etapa 2
10

Determinar los límites de las siguientes secuencias.

  1. an=3n22n+54n+3
  2. bn=3n22n+54n2+3
  3. cn=3n22n+54n3+3
11

Determinar el límite de la secuenciaan=4n321ne+1n.

12

Determinar el límite de la secuenciabn=4n+19n+3.

13

Determinar el límite de la secuenciacn=cos(n+n2)n.

14

Determinar el límite de la secuenciaan=nsinnn2.

15

Determinar el límite de la secuenciadn=e1/n.

16

Determinar el límite de la secuenciaan=1+3sin(n2)2sinnn.

17

Determinar el límite de la secuenciabn=en2n+n2.

18 (✳)

Encuentra el límite, si existe, de la secuencia{ak}, donde

ak=k!sin3k(k+1)!

19 (✳)

Considerar la secuencia{(1)nsin(1n)}. Estado si esta secuencia converge o diverge, y si converge dar su límite.

20 (✳)

Evaluarlimn[6n2+5nn2+1+3cos(1/n2)].

Etapa 3
21 (✳)

Encuentra el límite de la secuencia{log(sin1n)+log(2n)}.

22

Evaluarlimn[n2+5nn25n].

23

Evaluarlimn[n2+5n2n25].

24

Evaluar el límite de la secuencia{n[(2+1n)1002100]}n=1.

25

Escribir una secuencia{an}n=1 cuyo límite seaf(a) para una funciónf(x) que sea diferenciable en el puntoa.

Tu respuesta dependerá def ya.

26

Dejar{An}n=3 ser el área de un polígono regular conn lados, con la distancia desde el centroide del polígono a cada esquina igual a 1.

image-473.svg

  1. Al dividir el polígono enn triángulos, dé una fórmula paraAn.
  2. ¿Qué eslimnAn?
27

Supongamos que definimos una secuencia{fn}, que depende de alguna constantex, como la siguiente:

fn(x)={1nx<n+10else

Para una constante fijax1,{fn} es la secuencia{0,0,0,,0,1,0,,0,0,0,}. El único elemento distinto de cero viene en posiciónk, dondek es lo que obtenemos cuandox redondeamos a un número entero. Six<1, entonces la secuencia consiste en todos los ceros.

Ya que podemos enchufar diferentes valores dex, podemos pensar enfn(x) como una función de secuencias: una diferente tex da una secuencia diferente. Por otro lado, si imaginamos fijarn, entoncesfn(x) es solo una función, dondefn(x) da el términon th en la secuencia correspondiente ax.

  1. Croquis de la curvay=f2(x).
  2. Croquis de la curvay=f3(x).
  3. DefinirAn=0fn(x)dx. Dar una descripción simple de la secuencia{An}n=1.
  4. EvaluarlimnAn.
  5. Evaluarlimnfn(x) para una constantex, y llamar al resultadog(x).
  6. Evaluar0g(x)dx.
28

Determinar el límite de la secuenciabn=(1+3n+5n2)n.

29

Una secuencia{an}n=1 de números reales satisface la relación de recursiónan+1=an+83 paran2.

  1. Supongamosa1=4. que eslimnan?
  2. Averiguarx six=x+83.
  3. Supongamosa1=1. Mostrar quelimnan=L, dóndeL está la solución a la ecuación anterior.
30

La Ley de Zipf aplicada a la frecuencia de palabras se puede redactar de la siguiente manera:

La palabra más utilizada en un idioma se usan veces tan frecuentemente como lan -ésima palabra más utilizada en un idioma.

  1. Supongamos que la secuencia{w1,w2,w3,} es una lista de todas las palabras en un idioma, dondewn está la palabra que es lan th más utilizada. fnSea la frecuencia de la palabrawn. ¿Es{f1,f2,f3,} una secuencia creciente o una secuencia decreciente?
  2. Dar una fórmula general parafn, tratarf1 como una constante.
  3. Supongamos que en un idioma,w1 (la palabra más utilizada) tiene frecuencia6%. Si el lenguaje sigue la Ley de Zipf, entonces ¿qué frecuenciaw3 tiene?
  4. Supongamos quef6=0.3% para un idioma siguiendo la ley de Zipf. ¿Qué esf10?
  5. La palabra “the” es la palabra más utilizada en el inglés americano contemporáneo. En una colección de alrededor de 450 millones de palabras, “la” apareció 22 mil 038 615 veces. La segunda palabra más utilizada es “ser”, seguida de “y”. ¿Sobre cuántos usos de estas palabras esperas en una misma colección de 450 millones de palabras?

Fuentes:

  1. Para el lector más pedante, aquí nos referimos a una lista contablemente infinita de números. El lector interesado (pedante o no) debe buscar conjuntos contables e incontables.
  2. Hay, sin embargo, un resultado notable debido a Bailey, Borwein y Plouffe que se puede utilizar para calcular elnth binary digit of π (i.e. writing π in base 2 rather than base 10) without having to work out the preceding digits.
  3. Si los dígitos deπ were to converge, then π would have to be a rational number. The irrationality of π (that it cannot be written as a fraction) was first proved by Lambert in 1761. Niven's 1947 proof is more accessible and we invite the interested reader to use their favourite search engine to find step-by-step guides to that proof.

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