# Posloupnosti **Posloupnost reálných čísel** je zobrazení s definičním oborem $\mathbb{N}$ a oborem hodnot $H \subset \mathbb{R}$, tj. každému indexu $n \in \mathbb{N}$ je přířazen právě jeden člen $a_{n} \in \mathbb{R}$. Možné zápisy pro posloupnost: - $\displaystyle (a_{n}), \quad (a_{n})_{n=1}^{+\infty}, \quad (a_{1}, a_{2}, a_{3}, \dots), \quad (a_{n})_{n\in \mathbb{N}}$. ### Zadání | typ | příklad | | ----------------------- | ------------------------------------------------------------- | | explicitní | $a_n = 2n$ | | implicitní (rekurentní) | $\begin{cases} a_{n+1} = a_n + 2 \newline a_1 = 2\end{cases}$ | | graf posloupnosti | $(n, a_{n})$ | ### Omezenost Posloupnost $(a_n)$ s oborem hodnot $H$ je omezená (zdola, shora), je-li množina $H$ omezená (zdola, shora). | značení | typ | podmínka | příklad | | ------- | ----------------------- | ------------------------------------------------------------------------------- | --------- | | **OZ** | omezená zdola | $\exists \, d \in \mathbb{R} \quad \forall \, n \in \mathbb{N} : d \leq a_{n}$ | $(n-8)^2$ | | **OS** | omezená shora | $\exists \, h \in \mathbb{R} \quad \forall \, n \in \mathbb{N} : a_{n} \leq h$ | $4-n$ | | **O** | omezená (shora i zdola) | $\exists \, c > 0 \quad \forall \, n \in \mathbb{N} : \vert a_{n} \vert \leq c$ | $(-1)^n$ | ### Minimum, maximum, infimum a supremum Minimem (max, inf, sup) posloupnosti $(a_n)$ s oborem hodnot $H$ je minimem (max, inf, sup) množiny $H$. ### Monotonie Řekněme, že posloupnost $(a_n)$ je | značka | typ | podmínka | | ------ | --------------- | ------------------------------------------------------------- | | **R** | rostoucí | $\displaystyle \forall n \in \mathbb{N} \quad a_{n+1} \geq a_n$ | | **K** | klesající | $\displaystyle \forall n \in \mathbb{N} \quad a_{n+1} \leq a_n$ | | **OR** | ostře rostoucí | $\displaystyle \forall n \in \mathbb{N} \quad a_{n+1} > a_n$ | | **OK** | ostře klesající | $\displaystyle \forall n \in \mathbb{N} \quad a_{n+1} < a_n$ | | **M** | monotónní | je klesající nebo rostoucí | | **OM** | ostře monotónní | je ostře klesající nebo ostře rostoucí | #### Zjištění monotonie 1) Tipnu a ověřím 2) Otazníčková metoda ## Limita ### Vlastní limita Posloupnost $(a_n)$ má vlastní limitu $a \in R$, pokud $$\displaystyle \forall \, \epsilon \in \mathbb{R} > 0 \quad \exists \, n_{0} \in \mathbb{N} \quad \forall \, n \in \mathbb{N} : n > n_{0} \implies |a_{n} - a| < \epsilon.$$ Píšeme - $\displaystyle \lim_{ n \to \infty } a_{n} = a$ - $a_{n} \to a$ Pozn.: $a - \epsilon < a_{n} < a + \epsilon$ - Pro jakoukoli šířku pásma existuje standardní hodnota, všechna následující $n$ mají $a_n$ uvnitř $\epsilon$-pásem ### Nevlastní limita Posloupnost $(a_n)$ má nevlastní limitu $+\infty$, pokud $$\displaystyle \forall \, h > 0 \quad \exists \, n_{0} \quad \forall \, n \in N : n > n_{0} \implies a_{n} > h$$ $$\displaystyle \forall \, d < 0 \quad \exists \, n_{0} \quad \forall \, n \in N : n > n_{0} \implies a_{n} < d$$ Píšeme - $\displaystyle \lim_{ n \to \infty } a_{n} = +\infty$ nebo $a_{n} \to +\infty$ - $\displaystyle \lim_{ n \to \infty } a_{n} = -\infty$ nebo $a_{n} \to -\infty$ ### Jednoznačnost limity Každá posloupnost má nejvýše 1 limitu. ### Algebra vlastních limit Nechť $\displaystyle \lim_{ n \to \infty } a_{n} = a$ a $\displaystyle \lim_{ n \to \infty } b_{n} = b$, pak 1) $\displaystyle \lim_{ n \to \infty } (\alpha \cdot a_{n} + \beta \cdot b_{n}) = \alpha \cdot a + \beta \cdot b$, pokud je pravá strana definována, 2) $\displaystyle \lim_{ n \to \infty } (a_{n} \cdot b_{n}) = a \cdot b$, pokud je pravá strana definována, 3) $\displaystyle \lim_{ n \to \infty } (\frac{a_{n}}{b_{n}}) = \frac{a}{b}$, pokud $b_{n} \neq 0$ pro všechna $n \in N$ a pokud je pravá strana definována. ### Věta o sevření Mějme dány posloupnosti $(a_{n}), (b_{n}), (c_{n})$ a předpokládejme, že platí 1) $\exists \, n_{o} \in \mathbb{N} \quad \forall \, n \in \mathbb{N} : n > n_{0} \implies a_{n} \leq b_{n} \leq v_{n}$, 2) $\displaystyle\lim_{ n \to \infty }{a_{n}} = \lim_{ n \to \infty }{c_{n}} = a \in \mathbb{R}^*$. Potom *sevřená* posloupnost $(b_{n})$ má také limitu a platí $\displaystyle\lim_{ n \to \infty }{b_{n}} = a$. ## Eulerovo číslo Eulerovo číslo $e$ je definováno jako $\displaystyle e = \lim_{ n \to \infty } \left( 1 + \frac{1}{n} \right)^n = \vert\text{"NV }1^\infty\text{"}\vert$. - alternativní definice: $\displaystyle \sum_{n=0}^{\infty} \frac{1}{n!}$ ## Konvergence a divergence Řekněme, že posloupnost $(a_n)$ je | značka | typ | podmínka | | ------ | ----------------------- | -------------------------------- | | **K** | konvergentní | má-li vlastní / konečnou limitu | | **D** | divergentní | není-li konvergentní | | | divergentní k $+\infty$ | má-li nevlastní limitu $+\infty$ | | | divergentní k $-\infty$ | má-li nevlastní limitu $-\infty$ | ### Omezenost a limity 1) Je-li posloupnost konvergentní (**K**), pak je i omezená (**O**). 2) Diverguje-li posloupnost k $+\infty$, pak je omezená pouze zdola (**OZ**). 3) Diverguje-li posloupnost k $-\infty$, pak je omezená pouze shora (**OS**). Dále také 1) Je-li $(a_n)$ monotónní (**M**) a omezená (**O**), pak je i konvergentní (**K**). 2) Je-li $(a_n)$ rostoucí (**R**) a omezená (**O**), pak $\displaystyle \lim_{ n \to \infty } a_{n} = sup \, a_{n}$ a $min \, a_{n} = a_{1}$. 3) Je-li $(a_n)$ klesající (**K**) a omezená (**O**), pak $\displaystyle \lim_{ n \to \infty } a_{n} = inf \, a_{n}$ a $max \, a_{n} = a_{1}$. ### Sčítání, násobení a dělení na množině $\mathbb{R}^*$ 1) $\forall \, x \in \mathbb{R}^* \setminus \set{ +\infty } : \quad -\infty + x = x + (-\infty) = -\infty$, 2) $\forall \, x \in \mathbb{R}^* \setminus \set{ -\infty } : \quad +\infty + x = x + (+\infty) = +\infty$, 3) $\forall \, x \in \mathbb{R}^*, x > 0 : \quad x \cdot (\pm \infty) = \pm \infty$, 4) $\forall \, x \in \mathbb{R}^*, x < 0 : \quad x \cdot (\pm \infty) = \mp \infty$, 5) $\displaystyle\forall \, x \in \mathbb{R} : \quad \frac{x}{\pm \infty} = 0$. **Poznámka**: Operace sčítání, násobení a dělení nejsou definovány pro všechny dvojice z $\mathbb{R}^*$: 1) $(+\infty) - (+\infty), (-\infty) - (-\infty), (+\infty) + (-\infty), (-\infty) + (+\infty)$, 2) $0 \cdot (+\infty), (+\infty) \cdot 0, 0 \cdot (-\infty), (-\infty) \cdot 0,$ 3) $\displaystyle\frac{+\infty}{+\infty}, \frac{-\infty}{-\infty}, \frac{-\infty}{+\infty}, \frac{+\infty}{-\infty}$, 4) $\displaystyle\frac{x}{0}, x \in \mathbb{R}^*$.