Рассмотрим ряд натуральных чисел: 1, 2, 3, , n – 1, n , .
Если заменить каждое натуральное число n в этом ряду некоторым числом a n , следуя некоторому закону, то получим новый ряд чисел:
a 1 , a 2 , a 3 , , a n –1 , a n , ,
кратко обозначаемый и называемыйчисловой последователь- ностью . Величина a n называется общим членом числовой последовательности. Обычно числовая последовательность задается некоторой формулой a n = f (n ) позволяющей найти любой член последовательности по его номеру n ; эта формула называется формулой общего члена. Заметим, что задать числовую последовательность формулой общего члена не всегда возможно; иногда последовательность задается путем описания ее членов.
По определению, последовательность всегда содержит бесконечное множество элементов: любые два разных ее элемента отличаются, по крайней мере, своими номерами, которых бесконечно много.
Числовая последовательность является частным случаем функции. Последовательность является функцией, определенной на множестве натуральных чисел и принимающей значения в множестве действительных чисел, т. е. функцией вида f : N R .
Последовательность
называетсявозрастающей
(убывающей
),
если для любого n
N
Такие последовательности называютсястрого
монотонными
.
Иногда в качестве номеров удобно использовать не все натуральные числа, а лишь некоторые из них (например, натуральные числа, начиная с некоторого натурального числа n 0). Для нумерации также возможно использование не только натуральных, но и других чисел, например, n = 0, 1, 2, (здесь в качестве еще одного номера к множеству натуральных чисел добавлен ноль). В таких случаях, задавая последовательность, указывают, какие значения принимают номера n .
Если в некоторой
последовательности для любого n
N
то последовательность называетсянеубывающей
(невозрастающей
).
Такие последовательности называются
монотонными
.
Пример 1 . Числовая последовательность 1, 2, 3, 4, 5, … является рядом натуральных чисел и имеет общий член a n = n .
Пример 2 . Числовая последовательность 2, 4, 6, 8, 10, … является рядом четных чисел и имеет общий член a n = 2n .
Пример 3 . 1.4, 1.41, 1.414, 1.4142, … − числовая последовательность приближенных значений с увеличивающейся точностью.
В последнем примере невозможно дать формулу общего члена последовательности.
Пример 4
.
Записать
первых 5 членов числовой последовательности
по ее общему члену
.
Для вычисленияa
1
нужно в формулу для общего члена a
n
вместо n
подставить 1, для вычисления a
2
− 2 и т. д. Тогда имеем:
Тест 6 . Общим членом последовательности 1, 2, 6, 24, 120, является:
1)
2)
3)
4)
Тест
7
.
является:
1)
2)
3)
4)
Тест 8
.
Общим членом последовательности
является:
1)
2)
3)
4)
Предел числовой последовательности
Рассмотрим числовую последовательность, общий член которой приближается к некоторому числу А при увеличении порядкового номера n . В этом случае говорят, что числовая последовательность имеет предел. Это понятие имеет более строгое определение.
Число А
называется пределом числовой
последовательности
:
(1)
если для любого
> 0 найдется такое число n
0
= n
0 (),
зависящее от ,
что
приn
> n
0 .
Это определение означает, что А есть предел числовой последовательности, если ее общий член неограниченно приближается к А при возрастании n . Геометрически это значит, что для любого > 0 можно найти такое число n 0 , что, начиная с n > n 0 , все члены последовательности расположены внутри интервала (А – , А + ). Последовательность, имеющая предел, называется сходящейся ; в противном случае – расходящейся .
Числовая последовательность может иметь только один предел (конечный или бесконечный) определенного знака.
Пример 5
.
Гармоническая последовательность
имеет пределом число 0. Действительно,
для любого интервала (–;
+)
в качестве номера N
0
можно взять какое-либо целое число,
больше
.
Тогда для всехn
> n
0
>имеем
Пример 6 . Последовательность 2, 5, 2, 5, является расходящейся. Действительно, никакой интервал длины, меньшей, например, единицы, не может содержать всех членов последовательности, начиная с некоторого номера.
Последовательность
называется ограниченной
,
если существует такое число М
,
что
для
всехn
.
Всякая сходящаяся последовательность
ограничена. Всякая монотонная и
ограниченная последовательность имеет
предел. Всякая сходящаяся последовательность
имеет единственный предел.
Пример 7
.
Последовательность
является возрастающей и ограниченной.
Она имеет предел
=е
.
Число e называется числом Эйлера и приблизительно равно 2,718 28.
Тест 9 . Последовательность 1, 4, 9, 16, является:
1) сходящейся;
2) расходящейся;
3) ограниченной;
Тест 10
.
Последовательность
является:
1) сходящейся;
2) расходящейся;
3) ограниченной;
4) арифметической прогрессией;
5) геометрической прогрессией.
Тест 11
.
Последовательность
не
является:
1) сходящейся;
2) расходящейся;
3) ограниченной;
4) гармонической.
Тест
12
.
Предел
последовательности, заданной общим
членом
равен.
Приводится определение числовой последовательности. Рассмотрены примеры неограниченно возрастающих, сходящихся и расходящихся последовательностей. Рассмотрена последовательность, содержащая все рациональные числа.
Определение
.
Числовой последовательностью {
x n }
называется закон (правило), согласно которому, каждому натуральному числу n = 1, 2, 3, . . .
ставится в соответствие некоторое число x n
.
Элемент x n
называют n-м членом или элементом последовательности.
Последовательность обозначается в виде n
-го члена, заключенного в фигурные скобки: .
Также возможны следующие обозначения: .
В них явно указывается, что индекс n
принадлежит множеству натуральных чисел и сама последовательность имеет бесконечное число членов. Вот несколько примеров последовательностей:
,
,
.
Другими словами числовая последовательность - это функция, областью определения которой является множество натуральных чисел. Число элементов последовательности бесконечно. Среди элементов могут встречаться и члены, имеющие одинаковые значения. Также последовательность можно рассматривать как нумерованное множество чисел, состоящее из бесконечного числа членов.
Главным образом нас будет интересовать вопрос - как ведут себя последовательности, при n стремящемся к бесконечности: . Этот материал излагается в разделе Предел последовательности – основные теоремы и свойства . А здесь мы рассмотрим несколько примеров последовательностей.
Примеры последовательностей
Примеры неограниченно возрастающих последовательностей
Рассмотрим последовательность .
Общий член этой последовательности .
Выпишем несколько первых членов:
.
Видно, что с ростом номера n
,
элементы неограниченно возрастают в сторону положительных значений. Можно сказать, что эта последовательность стремится к :
при .
Теперь рассмотрим последовательность с общим членом .
Вот ее несколько первых членов:
.
С ростом номера n
,
элементы этой последовательности неограниченно возрастают по абсолютной величине, но не имеют постоянного знака. То есть эта последовательность стремится к :
при .
Примеры последовательностей, сходящихся к конечному числу
Рассмотрим последовательность .
Ее общий член .
Первые члены имеют следующий вид:
.
Видно, что с ростом номера n
,
элементы этой последовательности приближаются к своему предельному значению a = 0
:
при .
Так что каждый последующий член ближе к нулю, чем предыдущий. В каком-то смысле можно считать, что есть приближенное значение для числа a = 0
с погрешностью .
Ясно, что с ростом n
эта погрешность стремится к нулю, то есть выбором n
,
погрешность можно сделать сколь угодно малой. Причем для любой заданной погрешности ε > 0
можно указать такой номер N
,
что для всех элементов с номерами большими чем N
:
,
отклонение числа от предельного значения a
не превзойдет погрешности ε
:
.
Далее рассмотрим последовательность .
Ее общий член .
Вот несколько ее первых членов:
.
В этой последовательности члены с четными номерами равны нулю. Члены с нечетными n
равны .
Поэтому, с ростом n
,
их величины приближаются к предельному значению a = 0
.
Это следует также из того, что
.
Также как и в предыдущем примере, мы можем указать сколь угодно малую погрешность ε > 0
,
для которой можно найти такой номер N
,
что элементы, с номерами большими чем N
,
будут отклоняться от предельного значения a = 0
на величину, не превышающую заданной погрешности. Поэтому эта последовательность сходится к значению a = 0
:
при .
Примеры расходящихся последовательностей
Рассмотрим последовательность со следующим общим членом:
Вот ее первые члены:
.
Видно, что члены с четными номерами:
,
сходятся к значению a 1 = 0
.
Члены с нечетными номерами:
,
сходятся к значению a 2 = 2
.
Сама же последовательность, с ростом n
,
не сходится ни к какому значению.
Последовательность с членами, распределенными в интервале (0;1)
Теперь рассмотрим более интересную последовательность. На числовой прямой возьмем отрезок . Поделим его пополам. Получим два отрезка. Пусть
.
Каждый из отрезков снова поделим пополам. Получим четыре отрезка. Пусть
.
Каждый отрезок снова поделим пополам. Возьмем
.
И так далее.
В результате получим последовательность, элементы которой распределены в открытом интервале (0; 1) . Какую бы мы ни взяли точку из закрытого интервала , мы всегда можем найти члены последовательности, которые окажутся сколь угодно близко к этой точке, или совпадают с ней.
Тогда из исходной последовательности можно выделить такую подпоследовательность, которая будет сходиться к произвольной точке из интервала . То есть с ростом номера n , члены подпоследовательности будут все ближе подходить к наперед выбранной точке.
Например, для точки a = 0
можно выбрать следующую подпоследовательность:
.
= 0
.
Для точки a = 1
выберем такую подпоследовательность:
.
Члены этой подпоследовательности сходятся к значению a = 1
.
Поскольку существуют подпоследовательности, сходящиеся к различным значениям, то сама исходная последовательность не сходится ни к какому числу.
Последовательность, содержащая все рациональные числа
Теперь построим последовательность, которая содержит все рациональные числа. Причем каждое рациональное число будет входить в такую последовательность бесконечное число раз.
Рациональное число r
можно представить в следующем виде:
,
где - целое; - натуральное.
Нам нужно каждому натуральному числу n
поставить в соответствие пару чисел p
и q
так, чтобы любая пара p
и q
входила в нашу последовательность.
Для этого на плоскости проводим оси p и q . Проводим линии сетки через целые значения p и q . Тогда каждый узел этой сетки с будет соответствовать рациональному числу. Все множество рациональных чисел будет представлено множеством узлов. Нам нужно найти способ пронумеровать все узлы, чтобы не пропустить ни один узел. Это легко сделать, если нумеровать узлы по квадратам, центры которых расположены в точке (0; 0) (см. рисунок). При этом нижние части квадратов с q < 1 нам не нужны. Поэтому они не отображены на рисунке.
Итак, для верхней стороны первого квадрата имеем:
.
Далее нумеруем верхнюю часть следующего квадрата:
.
Нумеруем верхнюю часть следующего квадрата:
.
И так далее.
Таким способом мы получаем последовательность, содержащую все рациональные числа. Можно заметить, что любое рациональное число входит в эту последовательность бесконечное число раз. Действительно, наряду с узлом , в эту последовательность также будут входить узлы , где - натуральное число. Но все эти узлы соответствуют одному и тому же рациональному числу .
Тогда из построенной нами последовательности, мы можем выделить подпоследовательность (имеющую бесконечное число элементов), все элементы которой равны наперед заданному рациональному числу. Поскольку построенная нами последовательность имеет подпоследовательности, сходящиеся к различным числам, то последовательность не сходится ни к какому числу.
Заключение
Здесь мы дали точное определение числовой последовательности. Также мы затронули вопрос о ее сходимости, основываясь на интуитивных представлениях. Точное определение сходимости рассматривается на странице Определение предела последовательности . Связанные с этим свойства и теоремы изложены на странице
Рассмотрим некоторое множество (класс) множеств , каждое из которых содержит по одному элементу. Любое натуральное число – это характеристика класса равносильных конечных множеств, тогда поставим в соответствие этому классу натуральное число «единица» и обозначим его символом «1». Выберем из данного класса любое «единичное» множество, пусть , и добавим в это множество еще один элемент, получим новое множество . Если образовать класс конечных множеств, равносильных множеству , то новому классу поставим в соответствие натуральное число «два» и обозначим его символом «2». Дальнейшее продолжение этого бесконечного процесса образования новых конечных множеств и соответствующих им классов приводит к образованию двух бесконечных последовательностей:
(а) бесконечной последовательности множеств (1); каждое из этих множеств служит представителем соответствующего класса;
(b) бесконечной последовательности натуральных чисел 1;2;3;…r …(2), каждое из этих чисел являются характеристикой соответствующего класса.
Сравнение последовательностей (1) и (2) приводит к следующим выводам:
1). В (1) есть начальный элемент и в (2) есть начальный элемент 1;
2). В (1) за каждым множеством непосредственно следует единственное множество, в котором на один элемент больше, чем в множестве предыдущего класса, поэтому в (2) за каждым натуральным числом непосредственно следует только одно натуральное число, большее предыдущего на единицу.
3). В (1) каждый класс, кроме начального, непосредственно следует только за одним классом, поэтому в (2) каждое натуральное число, кроме единицы, непосредственно следует только за одним натуральным числом.
4). В (1) каждое множество данного класса является либо подмножеством любого множества следующего за ним класса, либо равносильно подмножеству любого множества следующего за ним класса, поэтому в (2) натуральные числа расположены так, что каждое из них меньше любого, следующего за ним: 1<2<3<…..<n <n+ 1<… (3).
Опираясь нам основные положения метода математической индукции, можно утверждать, что (2) – это последовательность натуральных чисел.
3. Использование последовательности натуральных чисел для определения численности конечного множества.
Определить численность конечного множества – это значит сосчитать количество элементов в этом множестве, для такого подсчета используется понятие отрезка .
Опр. 4. Отрезком последовательности (2) называется множество первых натуральных чисел последовательности (2), не превосходящих числа «n ».
Пример
. 
.
Для определение численности, например, множества приведем последовательность его элементов во взаимно однозначное соответствие с элементами отрезка :
. Так как , то множеству К
можно поставить в соответствие число «6», это число называют числом элементов множества K: n(K)=6,
говорят, что число «6» выражает численность множества К.
Опр . 5. Счетом элементов множества называется процесс приведения во взаимно однозначное соответствие элементов множества К с элементами отрезка натурального ряда .
При пересчете элементов конечного множества натурального ряда чисел выясняется не только количество элементов множества, но и определяется порядок расположения элементов в множестве. В первом случае натуральное число «n» показывает, сколько элементов содержит множество, «n» - называется количественным числом. Во втором случае натуральное число «n» представляет собой порядковый номер некоторого элемента множества, оно называется порядковым числом.
4. Операция сложения чисел в множестве N .
В множестве N натуральных чисел, кроме отношений равенства и неравенства, вводятся ряд операций. Каждую из операций можно ввести теорию на основе теории множеств.
Опр .6 . Суммой двух данных натуральных чисел
называется натуральное число , где .
5) , - свойство монотонности суммы (при сложении неравных чисел получаем неравные числа того же смысла).
