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数列すうれつ極限きょくげん

date2026-07-14document_iddoc_8d3f2023189c35c6496ecb66bccbdceadescription数列の収束を ε-N 論法で定義し、発散、等比数列、有理式、はさみうちによる極限判定を説明する。prerequisites数列の基本 / 不等式の基本type講義content_typelecturestatusactiverelateddata/lecture/math/sequence/sequences-portal.lecture.n.md / data/lecture/math/sequence/arithmetic-and-geometric-sequences.lecture.n.md / data/lecture/math/sequence/difference-equation-basics.lecture.n.md / data/lecture/math/sequence/series-basics.lecture.n.md / data/lecture/math/calculus/limits-and-continuity.lecture.n.md
mathsequenceundergraduatelecture

1導入どうにゅう

この講義こうぎでは、数列すうれつがある実数じっすう収束しゅうそくすることを ε-N 論法ろんぽうによって定義ていぎし、有限個ゆうげんこ初項しょこうではなく、任意にんい精度せいどたいして十分大じゅうぶんおおきい添字以降そえじいこうのすべてのこうによって極限きょくげん判定はんていするという原則げんそく説明せつめいする。

差分方程式さぶんほうていしきからかい長期挙動ちょうききょどうや、つぎ講義こうぎあつか級数きゅうすう部分和ぶぶんわ解析かいせきするには、数列すうれつの「接近せっきん」を定量化ていりょうかする必要ひつようがある。以下いかでは実数列じっすうれつ (an)n1対象たいしょうとし、通常つうじょう絶対値ぜったいち性質せいしつ前提ぜんていとする。

2用語ようご定義ていぎ

数列すうれつ (an)LR収束しゅうそくconvergeするとは、

ε>0NNnN,|an-L|<ε

成立せいりつすることである。このとき limnan=L または anLしるす。ε要求ようきゅうする誤差ごさであり、N はその要求ようきゅうおうじて選択せんたくしてよいが、選択後せんたくごすべての nN同一どういつ評価ひょうか成立せいりつしなければならない。

有限ゆうげん実数じっすう L のいずれにも収束しゅうそくしない数列すうれつ発散はっさんdivergeするという。とくに、

MRNNnN,an>M

成立せいりつするとき an+しるす。同様どうように、十分大じゅうぶんおおきい添字以降そえじいこうのすべてのこう任意にんい実数じっすう M よりちいさくなるとき an-しるす。+-実数じっすう極限値きょくげんちではなく、特定とくてい発散様式はっさんようしきあらわ記号きごうである。たとえば (-1)n振動しんどうして発散はっさんするため、いずれの無限大発散むげんだいはっさんでもない。

3基本性質きほんせいしつ

極限きょくげん一意いちいである。実際じっさいanL かつ anK仮定かていし、LK とする。ε=|L-K|/3たいして両定義りょうていぎ同時どうじたす十分大じゅうぶんおおきい nえらぶと、三角不等式さんかくふとうしきから

|L-K||L-an|+|an-K|<2|L-K|/3

となり矛盾むじゅんする。

また、収束列しゅうそくれつ有界ゆうかいである。anLたいして ε=1えらべば、十分大じゅうぶんおおきいこう|an||L|+1たす。のこ有限個ゆうげんこ初項しょこうにも最大絶対値さいだいぜったいち存在そんざいするため、すべてのこう共通きょうつう定数ていすう評価ひょうかできる。したがって、非有界ひゆうかい数列すうれつ収束しゅうそくしない。ただし、有界性ゆうかいせいだけでは収束しゅうそく保証ほしょうせず、(-1)n反例はんれいとなる。

以下いかでは既知きち極限則きょくげんそく使用しようする。anAbnB なら、

an+bnA+B,anbnAB,anbnAB(B0)

である。最後さいご主張しゅちょうでは bn0十分大じゅうぶんおおきい n成立せいりつする。これらは各誤差かくごさ三角不等式さんかくふとうしき分割ぶんかつし、収束列しゅうそくれつ有界性ゆうかいせい利用りようすれば ε-N 定義ていぎから証明しょうめいできる。

4等比数列とうひすうれつ

an=arn-1 とする。a=0 なら恒等的こうとうてき0 である。以下いかでは a0 とする。

  • |r|<1 なら an0 である。0<|r|<1 のとき q=1/|r|>1 とおく。二項定理にこうていりから qm=(1+(q-1))m1+m(q-1) なので、任意にんいε>0たい1+m(q-1)>|a|/ε となる mえらぶ。N=m+1 とすれば、nNたいして |arn-1||arm|<ε となる。r=0直接確認ちょくせつかくにんできる。
  • r=1 なら an=a であり、a収束しゅうそくする。
  • r=-1 なら ana-a交互こうごにとる。かりanL なら、定義ていぎ偶数添字ぐうすうそえじ奇数添字きすうそえじ適用てきようして定数列ていすうれつ a-a がともに L収束しゅうそくすることになるが、極限きょくげん一意性いちいせいa0はんする。したがって発散はっさんする。
  • r>1 なら、うえ二項定理にこうていりによって rn-1任意にんい正数せいすう最終的さいしゅうてきえる。したがって a>0 なら an+a<0 なら an- である。
  • r-1 なら符号ふごう交替こうたいする。r<-1 では絶対値ぜったいち非有界ひゆうかいとなるため発散はっさんし、+ にも - にも発散はっさんしない。

したがって、非零ひれい実数じっすう aたいする有限極限ゆうげんきょくげん存在条件そんざいじょうけん|r|<1 または r=1 である。

5有理式ゆうりしき定義ていぎされた数列すうれつ

P,Q非零ひれい実係数多項式じつけいすうたこうしきQ(n)0十分大じゅうぶんおおきい n成立せいりつするとし、

an=P(n)Q(n)

かんがえる。p=[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"deg\")")]Pq=[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"deg\")")]Q とし、最高次係数さいこうじけいすうをそれぞれ c,d とする。pq場合ばあい分子ぶんし分母ぶんぼnq除算じょざんする。p>q場合ばあいan/np-q=P(n)/(np-qQ(n))分子ぶんし分母ぶんぼnp除算じょざんする。1/nk0極限則きょくげんそく適用てきようするとつぎる。

  • p<q なら an0
  • p=q なら anc/d
  • p>q なら、an/np-qc/d収束しゅうそくする。この十分大じゅうぶんおおきい添字以降そえじいこうc/d同符号どうふごうかつ絶対値ぜったいち|c/(2d)| 以上いじょうとなり、np-q任意にんい正数せいすうえる。したがって、c/d>0 なら +c/d<0 なら -発散はっさんする。

たとえば、

3n2+1n2-2n+5=3+n-21-2n-1+5n-23

である。ここで分母ぶんぼ極限きょくげん10 であるため、しょう極限則きょくげんそく適用てきようできる。

6はさみうちの定理ていり

十分大じゅうぶんおおきいすべての n について

bnancn

であり、bnL かつ cnL なら anL である。実際じっさい任意にんいε>0たいし、十分大じゅうぶんおおきい n では L-ε<bn かつ cn<L+ε となるため、|an-L|<ε である。

|sinn|11/n0 から

-1nsinnn1n

であり、はさみうちの定理ていりによって sinn/n0 となる。sinn 自体じたい収束しゅうそく仮定かていする必要ひつようはない。

7判定手順はんていてじゅん

  • まず有限極限ゆうげんきょくげん無限大発散むげんだいはっさん振動しんどうのいずれが候補こうほかを区別くべつする。
  • 等比因子とうひいんしがある場合ばあい|r|<1r=1r=-1|r|>1分離ぶんりする。
  • 有理式ゆうりしきでは分子ぶんし分母ぶんぼ次数じすうおよび最高次係数さいこうじけいすう比較ひかくする。
  • 絶対値ぜったいち収束しゅうそくする上界じょうかい評価ひょうかできる場合ばあいは、はさみうちを適用てきようする。
  • 極限きょくげん主張しゅちょうするさいは、使用しようする極限則きょくげんそく仮定かていとくしょう分母ぶんぼ非零性ひれいせい確認かくにんする。

8適用範囲てきようはんい

ε-N 定義ていぎでは添字そえじ自然数しぜんすう限定げんていされるため、関数極限かんすうきょくげんε-δ 定義ていぎにある入力距離にゅうりょくきょり δ不要ふようである。一方いっぽう数列すうれつ関数かんすう f(n)整数点上せいすうてんじょうあたいても、整数点間せいすうてんかんにおける f挙動きょどう数列すうれつ収束しゅうそくには影響えいきょうしない。

本講義ほんこうぎ実数列じっすうれつ対象たいしょうとする。複素数列ふくそすうれつでは絶対値ぜったいち複素絶対値ふくそぜったいち置換ちかんすれば収束しゅうそく同様どうよう定義ていぎできるが、+- による順序付じゅんじょづけきの発散分類はっさんぶんるいはそのまま適用てきようできない。

9基本公式きほんこうしき

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]anLε>0NnN,|an-L|<ε
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]|r|<1rn0
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]bnancn,bn,cnLanL

10要約ようやく

  • 数列すうれつ収束しゅうそくは、任意にんい誤差要求ごさようきゅう十分大じゅうぶんおおきい添字以降そえじいこうのすべてのこうたすことである。
  • 発散はっさんには無限大発散むげんだいはっさん振動しんどうなどがあり、±有限ゆうげん極限値きょくげんちではない。
  • 等比数列とうひすうれつ有理式ゆうりしき、はさみうちは、それぞれ絶対値ぜったいち最高次項さいこうじこう不等式ふとうしきによって長期挙動ちょうききょどう判定はんていする。

11関連講義かんれんこうぎ

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Limits of Sequences

1Introduction

This lecture defines convergence of a sequence to a real number by the ε-N criterion and develops the following principle: a limit is determined not by finitely many initial terms, but by all sufficiently late terms at every requested accuracy.

To analyze the long-term behavior of solutions to difference equations and the partial sums used in the next lecture on series, one must quantify what it means for a sequence to approach a value. We consider real sequences (an)n1 and assume the standard properties of absolute value.

2Terms and Definitions

A sequence (an) {converges} to LR if

ε>0NNnN,|an-L|<ε.

We then write limnan=L or anL. The number ε is the requested error tolerance. The index N may depend on that tolerance, but after N has been chosen, the same estimate must hold for every nN.

A sequence {diverges} if it does not converge to any finite real number. In particular, we write an+ if

MRNNnN,an>M.

Similarly, an- means that all sufficiently late terms lie below every prescribed real bound M. The symbols + and - are not real limit values; they denote particular modes of divergence. For example, (-1)n diverges by oscillation and tends to neither + nor -.

3Basic Properties

A convergent sequence has a unique limit. Indeed, suppose anL and anK with LK. Apply both definitions with ε=|L-K|/3 and choose one sufficiently large n. The triangle inequality gives

|L-K||L-an|+|an-K|<2|L-K|/3,

a contradiction.

Every convergent sequence is also bounded. If anL, choosing ε=1 shows that all sufficiently late terms satisfy |an||L|+1. The finitely many remaining terms have a maximum absolute value, so one constant bounds the entire sequence. Consequently, every unbounded sequence diverges. Boundedness alone does not guarantee convergence, as (-1)n demonstrates.

We shall use the standard limit laws. If anA and bnB, then

an+bnA+B,anbnAB,anbnAB(B0).

In the quotient law, bn0 for all sufficiently large n. These laws follow from the ε-N definition by splitting errors with the triangle inequality and using boundedness of convergent sequences.

4Geometric Sequences

Let an=arn-1. If a=0, the sequence is identically zero. Assume below that a0.

  • If |r|<1, then an0. For 0<|r|<1, put q=1/|r|>1. The binomial theorem gives qm=(1+(q-1))m1+m(q-1). Given ε>0, choose m so that 1+m(q-1)>|a|/ε. Set N=m+1; if nN, then |arn-1||arm|<ε. The case r=0 is immediate.
  • If r=1, then an=a, so the sequence converges to a.
  • If r=-1, the terms alternate between a and -a. If anL, applying the definition along the even and odd indices would make both constant subsequences a and -a converge to L, contrary to uniqueness and a0. Thus the sequence diverges.
  • If r>1, the same binomial estimate shows that rn-1 eventually exceeds every positive number. Hence an+ when a>0, and an- when a<0.
  • If r-1, the sign alternates. When r<-1, the absolute values are also unbounded, so the sequence diverges and tends to neither + nor -.

Thus, for nonzero real a, a finite limit exists exactly when |r|<1 or r=1.

5Sequences Defined by Rational Expressions

Let P and Q be nonzero real polynomials, assume Q(n)0 for all sufficiently large n, and set

an=P(n)Q(n).

Write p=[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"deg\")")]P and q=[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"deg\")")]Q, and let their leading coefficients be c and d, respectively. For pq, divide the numerator and denominator by nq. For p>q, write an/np-q=P(n)/(np-qQ(n)) and divide its numerator and denominator by np. Applying the limit laws together with 1/nk0 yields:

  • If p<q, then an0.
  • If p=q, then anc/d.
  • If p>q, then an/np-qc/d. Sufficiently late values of this ratio have the same sign as c/d and absolute value at least |c/(2d)|, while np-q eventually exceeds every positive number. Hence an+ when c/d>0 and an- when c/d<0.

For example,

3n2+1n2-2n+5=3+n-21-2n-1+5n-23.

The denominator tends to 10, so the quotient law applies.

6Squeeze Theorem

Suppose that for every sufficiently large n,

bnancn,

and that bnL and cnL. Then anL. Indeed, for every ε>0, sufficiently large n satisfy L-ε<bn and cn<L+ε, and hence |an-L|<ε.

Since |sinn|1 and 1/n0,

-1nsinnn1n.

The squeeze theorem therefore gives sinn/n0. No convergence assumption on sinn itself is required.

7Decision Procedure

  • First distinguish among a candidate finite limit, divergence to infinity, and oscillation.
  • For a geometric factor, separate the cases |r|<1, r=1, r=-1, and |r|>1.
  • For a rational expression, compare the degrees and leading coefficients of its numerator and denominator.
  • When an absolute value can be bounded by a convergent upper bound, apply the squeeze theorem.
  • When invoking a limit law, verify its assumptions, especially the nonvanishing denominator in the quotient law.

8Scope

Because the index in the ε-N definition ranges only over natural numbers, there is no input-distance parameter δ such as the one used in the ε-δ definition of a function limit. Although a sequence may be regarded as the values f(n) of a function at integer points, the behavior of f between those points does not affect convergence of the sequence.

This lecture concerns real sequences. Convergence of complex sequences is defined analogously by replacing absolute value with the complex modulus, but the ordered classification by + and - does not transfer unchanged.

9Basic Formulas

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]anLε>0NnN,|an-L|<ε
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]|r|<1rn0
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]bnancn,bn,cnLanL

10Summary

  • A sequence converges when all sufficiently late terms meet every requested error tolerance.
  • Divergence includes divergence to infinity and oscillation; ± are not finite limit values.
  • Geometric sequences, rational expressions, and squeezing reduce long-term behavior to absolute values, leading terms, and inequalities, respectively.

11Related Lectures

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