TU Wien:Analysis VU (diverse)/Übungen 2024S/Beispiel 86

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Sei an≥0 und die Reihe Σn≥0 an konvergent. Man zeige, dass auch die Reihe Σn≥0 an2 konvergiert.

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Konvergenz von Reihen

Konvergenzeigenschaften von Reihen:

  • Ist ∑n=0∞an konvergent, dann gilt limn→∞an=0, aber nicht umgekehrt.   (Satz 4.35)
  • ∑an heißt absolut konvergent, wenn ∑|an| konvergent ist.   (Definition 4.43)
"absolut konvergent" {⇒⇍i.A.} "konvergent", d.h. Absolute Konvergenz ist eine stärker bindende Aussage als Konvergenz.   (Satz 4.44)
Grenzwert

Eine reelle Zahl a heißt Grenzwert (oder Limes) der Folge (an)n≥0, falls in jeder ϵ-Umgebung von a fast alle Folgenglieder an liegen, d.h., falls

∀ϵ>0∃N(ϵ)∈ℕ∀n>N(ϵ):|an−a|<ϵ   (Definition 4.4)

Majorantenkriterium

Wenn ∑bn konvergent und |an|≤bn für fast alle n, dann ist ∑an absolut konvergent.   (Satz 4.47)

Lösungsvorschlag von flowlo

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  • ∃ N(1)∈ℕ:|an|<1 ∀n≥N(1), da limn→∞an=0, da Σn≥0 an konvergent.
  • Σn≥0 an ist konvergente Majorante von Σn≥0 an2, da an2<an<1 ∀n≥N(1).

Da Σn≥0 an konvergiert, ist an eine konvergente Nullfolge. Wir können uns die einzelnen an mit steigendem n immer kleiner und kleiner werdend vorstellen. Ab einem gewissen Reihenglied aN(1) sind diese Partialsummen kleiner als eins, somit wird auch das Quadrat von an ab diesem Reihenglied immer kleiner und kleiner.

q.e.d. --Flowlo (Diskussion) 11:42, 8. Apr. 2014 (CEST)

Lösungsvorschlag von Kallisto

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Wir wissen, dass die Reihe s1=∑n≥0an konvergiert. Es folgt (laut Satz 4.35), dass die Folge der Reihenglieder eine Nullfolge ist. Da sich die Folge an 0 annähert, bedeutet das auch, dass es einen Punkt in der Folge gibt nachdem jeder Nachfolger kleiner als 1 ist. Quadriert man nun diese Folge, konvergiert die Folge sogar noch schneller.

Formal bedeutet dies, dass es einen Index N∈ℕ gibt, ab dem für jedes Folgeglied mit Index k>N gilt 0≤ak<1. Es folgt, dass somit nur endlich viele Folgeglieder größer als 1 sind bzw. fast alle Folgeglieder kleiner als 1 sind für die Folge an. Also sind alle Folgeglieder, die größer 1 sind, vernachlässigbar. Quadriert man die Folge, fällt sie nun noch schneller, wodurch 0≤an2≤an gilt.

Kehren wir zur Reihe s2=∑n≥0an2 zurück. Da wir nun wissen, dass 0≤an2≤an gilt, folgt

∑n≥0|an2|≤∑n≥0an

und somit können wir s1 als Majorante verwenden.

Da wir gezeigt haben, dass s1 größer als s2 ist und s1 konvergiert, folgt aus dem Majorantenkriterium, dass s2 absolut konvergiert.