x : N Q 1 x(1) = x 1 2 x(2) = x 2 3 x(3) = x 3

Transcripción

1 3 Sucesiones - Fernando Sánchez - - Cálculo I de números racionales Los números reales son aproximaciones que se van haciendo con números racionales. Estas aproximaciones se llaman sucesiones y van a permitir definir los números reales. Para ello se necesita definir qué son sucesiones convergentes y cómo a partir de ellas se puede definir el conjunto R de números reales. Definición. Una sucesión en Q es una aplicación x : N Q 1 x(1) = x 1 2 x(2) = x 2 3 x(3) = x 3 - Fernando Sánchez - - Se suele representar mediante sus imágenes x = (x 1, x 2, x 3,...) = (x n ) n N = (x n ) n = (x n ). En adelante, se utilizará cualquiera de estas notaciones. Se designa por {x n : n N} al conjunto de valores que toman los términos de la sucesión. Por ejemplo, si (x n ) = (0, 1, 0, 1, 0, 1,...) entonces el conjunto de valores es {x n : n N} = {0, 1}, un conjunto de dos elementos. Para las sucesiones (1, 2, 3,...) y (1, 1, 2, 2, 3, 3,...) el conjunto de valores es N. Al conjunto de todas las sucesiones de números racionales se le designará por S. A partir de las operaciones en Q es posible definir ciertas operaciones en S : Suma: (x n ) + (y n ) = (x n + y n ), es decir, las sucesiones se suman haciendo las sumas término a término. Producto: (x n ) (y n ) = (x n y n ), las sucesiones se multiplican haciéndolo término a término. Producto por escalares: α (x n ) = (α x n ), para α Q y (x n ) S. Se puede comprobar fácilmente que la suma es asociativa, conmutativa, tiene a la sucesión cero (0) = (0, 0, 0,...) como elemento neutro y todo elemento tiene opuesto: (x n ) = ( x n ). El producto es asociativo, conmutativo y tiene elemento unidad 3. Sucesiones de números racionales 1

2 - Fernando Sánchez - - (1) = (1, 1, 1,...). Sin embargo no toda sucesión no nula tiene elemento inverso. El inverso de una sucesión (x n ) es (x n ) 1 = (x 1 n ), que existe si todos los términos x n son no nulos. Así, (S, +, ) es un anillo conmutativo unitario y no es un cuerpo. Se dice que es un anillo con divisores de cero, ya que puede haber elementos no nulos cuyo producto es cero: (1, 0, 1, 0, 1, 0,...) (0, 1, 0, 2, 0, 3, 0, 4,...) = (0) La definición de sucesión convergente es esencial en el Cálculo. Es necesario insistir en la importancia de entender correctamente esta forma de escribir un concepto que puede resultar más o menos intuitivo. Definición. Se dice que una sucesión (x n ) de números racionales converge a a Q, y se escribe (x n ) a o también a = lím n (x n ), si ε > 0 ν N : n > ν x n a < ε. Dado cualquier valor ε > 0 todo lo pequeño que uno quiera (para valores grandes no se llega a nada importante), todos los términos x n con n > ν están en el intervalo (a ε, a + ε), o lo que es lo mismo, x n a < ε. ( ) - Fernando Sánchez - - Por ejemplo, es fácil probar que toda sucesión constante es convergente, y su ĺımite es el término general de la sucesión. Si (x n ) = (a, a, a,...) entonces x n a < ε para cualquier valor n N. Sin embargo, una sucesión como (x n ) = (1, 0, 1, 0, 1, 0,...) no puede ser convergente. Utilizando la propiedad arquimediana es fácil comprobar que lím n 1 n = 0 En la definición de convergencia aparece el valor absoluto como distancia entre números: a b es la distancia entre a y b. Este valor absoluto se define para cada número a Q como a si a 0 a = máx{a, a} = a si a < 0 y tiene las siguientes propiedades (para a, b Q) 1. a 0 y a = 0 a = 0 2. a + b a + b (desigualdad triangular) 3. a b = a b. Por tanto a = a, a 1 = a 1 a si a 0, y = a b b si b 0 3. Sucesiones de números racionales 2

3 4. a b a ± b - Fernando Sánchez - - El valor absoluto indica la distancia entre dos números. Resulta útil a veces para comparar números a y b, ya que a b < ε ε > 0 a = b Por ejemplo, a = = 1 Û 9 y b = 2 verifican a b < ε sea cual sea el valor ε > 0. Por tanto a = b. Definición (conjunto acotado). Un Conjunto A Q es acotado si existe M > 0 tal que x M para todo x A, es decir, si A [ M, M]. Una sucesión (x n ) se dice que está acotada si todos los términos están contenidos en algún intervalo: existe M > 0 que verifica x n [ M, M] para n = 1, 2, 3,... Proposición. Toda sucesión convergente está acotada. Demostración. Se considera una sucesión convergente (x n ) a. Dado ε = 1 existe ν N tal que x n a < 1 para n > ν. Por tanto x n < 1 + a para esos valores n > ν. Así, M = máx{ x 1,..., x ν, 1 + a } es una cota máxima para la sucesión. Proposición. La suma (respectivamente el producto) de sucesiones convergentes es una sucesión convergente y su ĺımite es la suma (resp. el producto) de sus ĺımites. Así, si dos sucesiones (x n ) y (y n ) son convergentes entonces (x n + y n ) y (x n y n ) también lo son y se cumple lím (x n + y n ) = lím n n (x n ) + n lím (y n ) lím (x n y n ) n - Fernando Sánchez - - = lím n (x n ) lím n (y n ). Demostración. Sean (x n ) a, (y n ) b. Entonces, dado ε > 0 existe ν 1 tal que x n a < ε/2 si n > ν 1 y existe ν 2 tal que y n b < ε/2 si n > ν 2. Por tanto, si ν = máx{ν 1, ν 2 } se tiene (x n + y n ) (a + b) x n a + y n b < ε/2 + ε/2 = ε para n > ν, lo que prueba que (x n + y n ) a + b. El argumento para el producto es similar. Como las sucesiones son convergentes también son acotadas. Como ambas sucesiones son acotadas, se puede encontrar M > 0 que verifique a < M, b < M, x n < M, y n < M para todo n. Dado ε > 0 existen ν 1, ν 2 N tales que x n a < ε/2m si n > ν 1 y y n b < ε/2m si n > ν 2. Así x n y n a b = x n y n ay n + ay n ab x n y n ay n + ay n ab = x n a y n + a y n b < ε/2 + ε/2 = ε para n > máx{ν 1, ν 2 }. Ejercicio. Es fácil probar que las tres sentencias siguientes son equivalentes: 3. Sucesiones de números racionales 3

4 (x n ) a, (x n a) 0, ( x n a ) 0. - Fernando Sánchez - - Además, si (y n ) es acotada y (x n ) a entonces Ä y n (x n a) ä 0. Con este ejercicio se podría haber probado de otra forma la segunda parte de la proposición anterior. Sin embargo, cuando alguna de las sucesiones no es convergente, con la suma y el producto puede resultar una sucesión convergente o no, por ejemplo (n) no es convergente, ( n) no es convergente, pero la suma sí lo es (1, 0, 1, 0,...) no es convergente, (0, 7, 0, 7,...) no es convergente, y el producto sí es convergente (n) no es convergente, (1/n 2 ) es convergente, y el producto sí es convergente (n 2 ) no es convergente, (1/n) es convergente, y el producto no es convergente Definición. Se dice que una sucesión (x n ) de números racionales es de Cauchy si ε > 0 ν N : n, m > ν x n x m < ε. Dado cualquier valor ε > 0 todo lo pequeño que uno quiera (para valores grandes no se llega a nada importante), todos los términos x n y x m con n, m > ν están muy próximos entre sí, como mucho a distancia ε. Proposición. Toda sucesión convergente es de Cauchy. Demostración. Sea (x n ) a. Dado ε > 0 existe ν N tal que x n a < ε/2 si n > ν. Por tanto, si p, q > ν se tiene x p x q x p a + x q a < ε. - Fernando Sánchez - - Sin embargo, existen sucesiones de Cauchy en Q que no son convergentes. Por ejemplo, se puede considerar la sucesión (x n ) = (1, 1 4, 1 41, 1 414, ,...) cuyos términos verifican (x 2 n) 2. Esta sucesión es de Cauchy ya que sus términos verifican x p x q < 1/10 ( p, q > 1) x p x q < 1/10 2 ( p, q > 2) x p x q < 1/10 3 ( p, q > 3)... También es de Cauchy la sucesión (x 2 n), ya que es convergente y converge a 2. Sin embargo (x n ) no converge en Q, ya que su único posible ĺımite es un número cuyo cuadrado es 2, y ese número no existe en Q. El conjunto C de sucesiones de Cauchy en Q, o el conjunto C o de sucesiones convergentes y el conjunto A de sucesiones acotadas, con las operaciones usuales de suma y multiplicación son subanillos del anillo S de todas las sucesiones en Q. Además, se tienen las inclusiones (todas son estrictas) C o C A S Proposición. Toda sucesión de Cauchy es acotada. 3. Sucesiones de números racionales 4

5 - Fernando Sánchez - - Demostración. Si (x n ) es de Cauchy, dado ε = 1 existe ν N tal que x n x m < ε = 1 para n, m ν. Por tanto, x n < 1 + x ν para n > ν y la sucesión está acotada por M = máx{ x 1,..., x ν, 1 + x ν }. Ejercicio. Probar que si (x n ) no está acotada, es posible encontrar términos n 1 < n 2 < n 3 <... tales que x n1 > 1000, x n2 > 2000, x n3 > 3000,... Esto hace que una sucesión así no pueda ser de Cauchy ni convergente. Con este ejercicio se podría haber probado la proposición anterior, utilizando el contrarrecíproco. Proposición. La suma y producto de sucesiones de Cauchy es una sucesión de Cauchy. Demostración. Sean (x n ) e (y n ) sucesiones de Cauchy. Dado ε > 0 existen ν 1 y ν 2 tales que x n x m < ε/2 y y p y q < ε/2 para m, n > ν 1 y p, q > ν 2. Por tanto para valores n, m > máx{ν 1, ν 2 } se tiene x n + y n (x m + y m ) x n x m + y n y m < ε y la sucesión (x n + y n ) es de Cauchy. Para el producto es similar. Al ser sucesiones de Cauchy son acotadas: x n N y y n M para todo n N y se puede escribir x n y n x m y m = x n y n x m y n + x m y n x m y m x n x m y n + y n y m x m x n x m M + y n y m N de donde se obtiene que (x n y n ) es de Cauchy. Definición. Dos sucesiones de Cauchy de números racionales (x n ) e (y n ) se dice que son equivalentes, y se escribe (x n ) (y n ), si (x n y n ) 0. - Fernando Sánchez - - Es fácil comprobar que esta relación es de equivalencia: reflexiva, simétrica y transitiva. Por tanto induce una clasificación C / es el conjunto de sucesiones de Cauchy. A este conjunto cociente se le llama conjunto de los números reales y se denota R: R = C / Cada número real es una clase de sucesiones Cauchy equivalentes de números racionales. 3. Sucesiones de números racionales 5