לכל ε>0, קיים N כך שלכל n>N מתקיים:
∣an−L∣<ε
אומרים:
n→∞liman=L
הוכיחו לפי הגדרת הגבול:
n→∞lim4n2+5n+162n2−9n−2=21
פתרון:
נפשט את הביטוי.
4n2+5n+162n2−9n−2−21=2(4n2+5n+16)4n2−18n−4−4n−5n−16=2(4n2+5n+16)−23n−20
=2(4n2+5n+16)23n+20⇑4n2+5b+16>4n2<8n223n+20≤8n223n+20n=8n243n=8n43<848⋅n1=n6
ולכן, אם נבחר N=ε6 אז לכל n>N מתקיים:
4n2+5n+162n2−9n−2−21<n6<N6=ε66=ε
בכל שלב שעושים הגדלה, כדאי לוודא שהביטוי בתוך הערך המוחלט עדיין שואף ל-0.
נסתכל על ההבדל במידה ויש −5n במקום 5n:
4n2−5n+162n2−9n−2−21=2(4n2−5n+16)4n2−18n−4−4n+5n−16=2(4n2−5n+16)−13n−20
מפה, הכל משתנה ונדרש להסברים בצד:
4n2−5n+16>0⟹x1,2=85±25−4⋅4⋅16>0
ולכן 4n2−5n+16>0 לכל n.
2(4n2−5n+16)−13n−20=2(4n2−5n+16)13n+20
כעת, נבדוק האם אנו יכולים לעשות את המעבר הבא:
4n2−5n+16>4n2⟹−5n+16>0
לא נוכל לזרוק אותו ולכן נצטרך לעשות משהו אחר. נבדוק האם האי שוויון הבא נכון לכל n או לפחות ממקום מסויים:
4n2−5n+16>2n2⟹2n2−5n+16>0⟹25−4⋅2⋅16<0
יצא כי זה נכון לכל n.
2(4n2−5n+16)13n+20<4n213n+20
ומפה ממכשיכים כמו מקודם.
<4n240n=n10
וכך נגיע לפתרון גם במצב הזה.
הוכיחו על פי הגדרה כי:
n→∞lim1−n1=1
יהי ε>0, נפשט:
1−n1−1↓רצוקמ לפכ תואחסונ=1−n1+1(1−n1−1)←1−n1+1≥1>0=1−n1+1n1≤1n1=n1<n2
ולכן, אם נבחר N=ε2 אז לכל n>N מתקיים:
1−n1−1<n2<N2=ε
הוכיחו לפי ההגדרה כי אם:
n→∞liman=3
אז:
n→∞liman2+1=10
יהי ε>0.
נפשט את הביטוי:
an2+1−10↓רצוקמ לפכ תואחסונ=an2+1+10an2+1−10=an2+1+10an2−9<10an2−9=10∣an+3∣∣an−3∣
לפי הנתון, limn→∞an=3
⇐ לכל ε1>0 קיים N כך שלכל n>N מתקיים:
∣an−3∣<ε1
בפרט עבור ε1=1 קיים N כך שלכל n>N:
∣an−3∣<1
−1<an−3<1
5<an+3<7
5<∣an+3∣<7
ולכן:
10∣an+3∣∣an−3∣<107∣an−3∣
מהנתון ש limn→∞an=3 אז עבור ε1=710 קיים N2 כך שלכל n>N2 מתקיים:
∣an−3∣<710ε
ולכן, אם נבחר N=max{N1,N2} אז לכל n>N מתקיים:
an2+1−10<107∣an−3∣=107⋅710ε=ε
∎
יהו an ו-bn סדרות.
כך שלכל n מתקיים bn=0 ולכל an חסומה ו:
n→∞limbnan=L>0
הוכיחו לפי הגדרת הגבול והגדרת החסימות בלבד כי bn חסומה.
הוכחה:
לפי הנתון limn→∞bnan=L>0 ⇐ לכל ε>0 קיים N טבעי כך שלכל n>N מתקיים:
bnan−L<ε
הטענה נכונה לכל ε ובפרט ל-ε=2L>0.
קיים N כך שלכל n>N:
bnan−L<2L
−2L<bnan−L<2L
−2L+L<bnan<2L+L
∣bn∣>0,⇐bn=0
∣bn∣2L<∣an∣<∣bn∣23L
∣bn∣<L2∣an∣
לפי נתון an חסומה. לכן, קיים k>0 כך ש-∣an∣≤k לכל n.
ולכן:
∣bn∣<L2∣an∣≤L2k
זה מתרחש רק לכל n>N.
נסמן :
M=max{b1,b2,…,bN,L2k}
m=min{b1,b2,…,bN,−L2k}
ולכן: m≤bn≤M לכל n ומכאן שהיא חסומה.
∎
תהא סדרה an כך ש-limn→∞an=L וגם L=0 וגם an=0 לכל n.
הוכיחו בעזרת הגדרת הגבול כי:
n→∞liman1=L1
הוכחה:
יהי ε>0. נפשט את הביטוי:
an1−L1=∣an∣∣L∣∣L−an∣=∣an∣∣L∣∣an−L∣
לפי הנתון ש-limn→∞an=L ⇐ לכל ε1>0 ובפרט ל-ε1=2∣L∣ קיים N1 כך שלכל n>N1 מתקיים:
∣an−L∣<2∣L∣
ולפי אי שוויון המשולש להפרשים:
∣L∣−∣an∣≤∣an−L∣<2∣L∣
∣an∣>∣L∣−2∣L∣=2∣L∣
∣an∣1<∣L∣2
ולכן:
an1−L1=∣L∣∣an∣∣an−L∣<∣L∣∣an−L∣⋅2∣L∣=∣L∣22∣an−L∣
לכל ε1>0 ובפרט ל-ε1=2∣L∣2 קיים N2 כך שלכל n>N2 מתקיים:
∣an−L∣≤2∣L∣2ε
ולכן, אם נבחר N=max{N1,N2} אז לכל n>N מתקיים:
an1−L1<∣L∣22∣an−L∣<∣L∣22⋅2∣L∣2ε=ε
∎
תהי an סדרה חיובית כך ש:
n→∞liman=L
הוכיחו על פי ההגדרה כי:
n→∞limna1+a2+⋯+an=L
הוכחה:
יהי ε>0. נפשט:
na1+a2+⋯+an−L=na1+a2+⋯+an−Ln=n(a1−L)+(a2−L)+⋯+(an−L)
לפי אי שוויון המשולש:
≤n∣a1−L∣+∣a2−L∣+⋯+∣aN−L∣+∣aN+1−L∣+⋯+∣an−L∣
לפי הנתון ש-limn→∞an=L ⇐ לכל ε1>0 ובפרט ל-ε1=2ε קיים N1 טבעי כך שלכל n>N1 מתקיים:
∣an−L∣<ε1
ולכן:
∣aN+1−L∣<2ε,∣aN+2−L∣<2ε,…
=n∣a1−L∣+⋯+∣aN−L∣+n2ε+2ε+⋯+2εn−N=n∣a1−L∣+⋯+∣aN−L∣+2ε(2n−N)
<n∣a1−L∣+⋯+∣aN−L∣+2ε
המונה של השבר השמאלי הוא מספר סופי שנסמנו α.
=nα+2ε
מכיוון ש- nα⟶0 לכל ε1>0 ובפרט ל-ε1=2αε קיים N2 כך שלכל n>N2 מתקיים:
nα=nα<2αε
ולכן אם נבחר N=max{N1,N2} נקבל כי לכל n>N מתקיים:
na1+a2+⋯+an−L<nα+2ε<2ε+2ε=ε
∎
שלילת הגדרת הגבול
לכל ε>0 קיים N כך שלכל n>N מתקיים
∣an−L∣<ε
שלילה:
קיים ε>0 כך שלכל N קיים n>N כך ש:
∣an−L∣≥ε
הראו כי:
n→∞lim4n2+n2n2+5n+3=31
הוכחה:
נפשט:
4n2+n2n2+5n+3−31=3(4n2+n)6n2+15n+9−4n2−n=3(4n2+n)2n2+14n+9
=3(4n2+n)2n2+14n+9>3(4n2+n)2n2+14n=3(4n+1)2n+14≥3⋅5n2n=152
עבור ε=152 קיבלנו כי
an−31≥152
לכל n. מה שעומד בסתירה להגדרת הגבול.
∎