数列の極限
mathsequenceundergraduatelecture
1導入
この講義では、数列がある実数へ収束することを \varepsilon-N 論法によって定義し、有限個の初項ではなく、任意の精度に対して十分大きい添字以降のすべての項によって極限を判定するという原則を説明する。
差分方程式から得た解の長期挙動や、次の講義で扱う級数の部分和を解析するには、数列の「接近」を定量化する必要がある。以下では実数列 (a_n)_{n\geq1} を対象とし、通常の絶対値の性質を前提とする。
2用語と定義
数列 (a_n) が L\in\mathbb R に収束するとは、
\forall\varepsilon>0\ \exists N\in\mathbb N\ \forall n\geq N,
\qquad |a_n-L|<\varepsilon
が成立することである。このとき \lim_{n\to\infty}a_n=L または a_n\to L と記す。\varepsilon は要求する誤差であり、N はその要求に応じて選択してよいが、選択後はすべての n\geq N に同一の評価が成立しなければならない。
有限な実数 L のいずれにも収束しない数列を発散するという。特に、
\forall M\in\mathbb R\ \exists N\in\mathbb N\ \forall n\geq N,
\qquad a_n>M
が成立するとき a_n\to+\infty と記す。同様に、十分大きい添字以降のすべての項が任意の実数 M より小さくなるとき a_n\to-\infty と記す。+\infty と -\infty は実数の極限値ではなく、特定の発散様式を表す記号である。例えば (-1)^n は振動して発散するため、いずれの無限大発散でもない。
3基本性質
極限は一意である。実際、a_n\to L かつ a_n\to K と仮定し、L\ne K とする。\varepsilon=|L-K|/3 に対して両定義を同時に満たす十分大きい n を選ぶと、三角不等式から
|L-K|\leq|L-a_n|+|a_n-K|<2|L-K|/3
となり矛盾する。
また、収束列は有界である。a_n\to L に対して \varepsilon=1 を選べば、十分大きい項は |a_n|\leq|L|+1 を満たす。残る有限個の初項にも最大絶対値が存在するため、すべての項を共通の定数で評価できる。したがって、非有界な数列は収束しない。ただし、有界性だけでは収束を保証せず、(-1)^n が反例となる。
以下では既知の極限則を使用する。a_n\to A、b_n\to B なら、
a_n+b_n\to A+B,\qquad a_nb_n\to AB,\qquad
\frac{a_n}{b_n}\to\frac AB\quad(B\ne0)
である。最後の主張では b_n\ne0 が十分大きい n で成立する。これらは各誤差を三角不等式で分割し、収束列の有界性を利用すれば \varepsilon-N 定義から証明できる。
4等比数列
a_n=ar^{n-1} とする。a=0 なら恒等的に 0 である。以下では a\ne0 とする。
- |r|<1 なら a_n\to0 である。0<|r|<1 のとき q=1/|r|>1 とおく。二項定理から q^m=(1+(q-1))^m\geq1+m(q-1) なので、任意の \varepsilon>0 に対し 1+m(q-1)>|a|/\varepsilon となる m を選ぶ。N=m+1 とすれば、n\geq N に対して |ar^{n-1}|\leq|ar^m|<\varepsilon となる。r=0 も直接確認できる。
- r=1 なら a_n=a であり、a に収束する。
- r=-1 なら a_n は a と -a を交互にとる。仮に a_n\to L なら、定義を偶数添字と奇数添字へ適用して定数列 a と -a がともに L へ収束することになるが、極限の一意性と a\ne0 に反する。したがって発散する。
- r>1 なら、上の二項定理によって r^{n-1} は任意の正数を最終的に超える。したがって a>0 なら a_n\to+\infty、a<0 なら a_n\to-\infty である。
- r\leq-1 なら符号が交替する。r<-1 では絶対値も非有界となるため発散し、+\infty にも -\infty にも発散しない。
したがって、非零の実数 a に対する有限極限の存在条件は |r|<1 または r=1 である。
5有理式で定義された数列
P,Q を非零の実係数多項式、Q(n)\ne0 が十分大きい n で成立するとし、
a_n=\frac{P(n)}{Q(n)}
を考える。p=\deg P、q=\deg Q とし、最高次係数をそれぞれ c,d とする。p\leq q の場合は分子と分母を n^q で除算する。p>q の場合は a_n/n^{p-q}=P(n)/(n^{p-q}Q(n)) の分子と分母を n^p で除算する。1/n^k\to0 と極限則を適用すると次を得る。
- p<q なら a_n\to0。
- p=q なら a_n\to c/d。
- p>q なら、a_n/n^{p-q} は c/d に収束する。この比は十分大きい添字以降で c/d と同符号かつ絶対値が |c/(2d)| 以上となり、n^{p-q} は任意の正数を超える。したがって、c/d>0 なら +\infty、c/d<0 なら -\infty へ発散する。
例えば、
\frac{3n^2+1}{n^2-2n+5}
=\frac{3+n^{-2}}{1-2n^{-1}+5n^{-2}}\longrightarrow3
である。ここで分母の極限が 1\ne0 であるため、商の極限則を適用できる。
6はさみうちの定理
十分大きいすべての n について
b_n\leq a_n\leq c_n
であり、b_n\to L かつ c_n\to L なら a_n\to L である。実際、任意の \varepsilon>0 に対し、十分大きい n では L-\varepsilon<b_n かつ c_n<L+\varepsilon となるため、|a_n-L|<\varepsilon である。
|\sin n|\leq1 と 1/n\to0 から
-\frac1n\leq\frac{\sin n}{n}\leq\frac1n
であり、はさみうちの定理によって \sin n/n\to0 となる。\sin n 自体の収束を仮定する必要はない。
7判定手順
- まず有限極限、無限大発散、振動のいずれが候補かを区別する。
- 等比因子がある場合は |r|<1、r=1、r=-1、|r|>1 を分離する。
- 有理式では分子と分母の次数および最高次係数を比較する。
- 絶対値を収束する上界で評価できる場合は、はさみうちを適用する。
- 極限を主張する際は、使用する極限則の仮定、特に商の分母の非零性を確認する。
8適用範囲
\varepsilon-N 定義では添字が自然数に限定されるため、関数極限の \varepsilon-\delta 定義にある入力距離 \delta は不要である。一方、数列を関数 f(n) の整数点上の値と見ても、整数点間における f の挙動は数列の収束には影響しない。
本講義は実数列を対象とする。複素数列では絶対値を複素絶対値に置換すれば収束を同様に定義できるが、+\infty と -\infty による順序付きの発散分類はそのまま適用できない。
9基本公式
\boxed{a_n\to L\iff
\forall\varepsilon>0\ \exists N\ \forall n\geq N, |a_n-L|<\varepsilon}
\boxed{|r|<1\Rightarrow r^n\to0}
\boxed{b_n\leq a_n\leq c_n,\quad b_n,c_n\to L\Rightarrow a_n\to L}
10要約
- 数列の収束は、任意の誤差要求を十分大きい添字以降のすべての項が満たすことである。
- 発散には無限大発散と振動などがあり、\pm\infty は有限な極限値ではない。
- 等比数列、有理式、はさみうちは、それぞれ絶対値、最高次項、不等式によって長期挙動を判定する。
11関連講義
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
Limits of Sequences
1Introduction
This lecture defines convergence of a sequence to a real number by the \varepsilon-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 (a_n)_{n\geq1} and assume the standard properties of absolute value.
2Terms and Definitions
A sequence (a_n) {converges} to L\in\mathbb R if
\forall\varepsilon>0\ \exists N\in\mathbb N\ \forall n\geq N,
\qquad |a_n-L|<\varepsilon.
We then write \lim_{n\to\infty}a_n=L or a_n\to L. The number \varepsilon 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 n\geq N.
A sequence {diverges} if it does not converge to any finite real number. In particular, we write a_n\to+\infty if
\forall M\in\mathbb R\ \exists N\in\mathbb N\ \forall n\geq N,
\qquad a_n>M.
Similarly, a_n\to-\infty means that all sufficiently late terms lie below every prescribed real bound M. The symbols +\infty and -\infty are not real limit values; they denote particular modes of divergence. For example, (-1)^n diverges by oscillation and tends to neither +\infty nor -\infty.
3Basic Properties
A convergent sequence has a unique limit. Indeed, suppose a_n\to L and a_n\to K with L\ne K. Apply both definitions with \varepsilon=|L-K|/3 and choose one sufficiently large n. The triangle inequality gives
|L-K|\leq|L-a_n|+|a_n-K|<2|L-K|/3,
a contradiction.
Every convergent sequence is also bounded. If a_n\to L, choosing \varepsilon=1 shows that all sufficiently late terms satisfy |a_n|\leq|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 a_n\to A and b_n\to B, then
a_n+b_n\to A+B,\qquad a_nb_n\to AB,\qquad
\frac{a_n}{b_n}\to\frac AB\quad(B\ne0).
In the quotient law, b_n\ne0 for all sufficiently large n. These laws follow from the \varepsilon-N definition by splitting errors with the triangle inequality and using boundedness of convergent sequences.
4Geometric Sequences
Let a_n=ar^{n-1}. If a=0, the sequence is identically zero. Assume below that a\ne0.
- If |r|<1, then a_n\to0. For 0<|r|<1, put q=1/|r|>1. The binomial theorem gives q^m=(1+(q-1))^m\geq1+m(q-1). Given \varepsilon>0, choose m so that 1+m(q-1)>|a|/\varepsilon. Set N=m+1; if n\geq N, then |ar^{n-1}|\leq|ar^m|<\varepsilon. The case r=0 is immediate.
- If r=1, then a_n=a, so the sequence converges to a.
- If r=-1, the terms alternate between a and -a. If a_n\to L, applying the definition along the even and odd indices would make both constant subsequences a and -a converge to L, contrary to uniqueness and a\ne0. Thus the sequence diverges.
- If r>1, the same binomial estimate shows that r^{n-1} eventually exceeds every positive number. Hence a_n\to+\infty when a>0, and a_n\to-\infty when a<0.
- If r\leq-1, the sign alternates. When r<-1, the absolute values are also unbounded, so the sequence diverges and tends to neither +\infty nor -\infty.
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)\ne0 for all sufficiently large n, and set
a_n=\frac{P(n)}{Q(n)}.
Write p=\deg P and q=\deg Q, and let their leading coefficients be c and d, respectively. For p\leq q, divide the numerator and denominator by n^q. For p>q, write a_n/n^{p-q}=P(n)/(n^{p-q}Q(n)) and divide its numerator and denominator by n^p. Applying the limit laws together with 1/n^k\to0 yields:
- If p<q, then a_n\to0.
- If p=q, then a_n\to c/d.
- If p>q, then a_n/n^{p-q}\to c/d. Sufficiently late values of this ratio have the same sign as c/d and absolute value at least |c/(2d)|, while n^{p-q} eventually exceeds every positive number. Hence a_n\to+\infty when c/d>0 and a_n\to-\infty when c/d<0.
For example,
\frac{3n^2+1}{n^2-2n+5}
=\frac{3+n^{-2}}{1-2n^{-1}+5n^{-2}}\longrightarrow3.
The denominator tends to 1\ne0, so the quotient law applies.
6Squeeze Theorem
Suppose that for every sufficiently large n,
b_n\leq a_n\leq c_n,
and that b_n\to L and c_n\to L. Then a_n\to L. Indeed, for every \varepsilon>0, sufficiently large n satisfy L-\varepsilon<b_n and c_n<L+\varepsilon, and hence |a_n-L|<\varepsilon.
Since |\sin n|\leq1 and 1/n\to0,
-\frac1n\leq\frac{\sin n}{n}\leq\frac1n.
The squeeze theorem therefore gives \sin n/n\to0. No convergence assumption on \sin n 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 \varepsilon-N definition ranges only over natural numbers, there is no input-distance parameter \delta such as the one used in the \varepsilon-\delta 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 +\infty and -\infty does not transfer unchanged.
9Basic Formulas
\boxed{a_n\to L\iff
\forall\varepsilon>0\ \exists N\ \forall n\geq N, |a_n-L|<\varepsilon}
\boxed{|r|<1\Rightarrow r^n\to0}
\boxed{b_n\leq a_n\leq c_n,\quad b_n,c_n\to L\Rightarrow a_n\to L}
10Summary
- A sequence converges when all sufficiently late terms meet every requested error tolerance.
- Divergence includes divergence to infinity and oscillation; \pm\infty 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
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