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Cálculo Diferencial e Integral I: Propiedades de las sucesiones convergentes

Introducción

En la entrada anterior vimos la definición y algunos ejemplos de sucesiones convergentes y no convergentes. Ahora que ya estamos familiarizados con estos conceptos, revisaremos algunas de las propiedades que tienen las sucesiones convergentes.

Propiedades de las sucesiones convergentes

La siguiente propiedad nos indica que si todos los elementos de una sucesión convergente son no negativos, entonces el límite debe ser no negativo.

Proposición. Sea $\{a_n \}$ una sucesión convergente en $\mathbb{R}$, si $a_n \geq 0$ para toda $n \in \mathbb{N}$, entonces $$\lim_{n \to \infty} a_n \geq 0 $$

Esta proposición quedará como tarea moral, se sugiere proceder por contradicción, es decir, suponer que el límite de $\{a_n\}$ es menor a cero.

Podemos pensar en una especie de «generalización» de la proposición anterior: si tenemos dos sucesiones convergentes $\{a_n\}$, $\{ b_n \}$ y para todo natural se cumple la desigualdad $a_n \leq b_n$, entonces el límite de las sucesiones debe respetar esa misma relación de orden.

Proposición. Si $\{ a_n \}$ y $\{ b_n \}$ son sucesiones convergentes en $\mathbb{R}$ y si $a_n \leq b_n$ para toda $n \in \mathbb{N}$, entonces $$ \lim_{ n \to \infty} a_n \leq \lim_{ n \to \infty} b_n.$$

Demostración.

Definamos la sucesión $c_n = b_n – a_n$. Como $\{ a_n \}$ y $\{ b_n \}$ son convergentes, digamos a $L_1$ y $L_2$, entonces $\{ c_n \}$ es convergente a $L_2-L_1$. Además, sabemos que $a_n \leq b_n$ para toda $n \in \mathbb{N}$, entonces $b_n – a_n \geq 0$ para toda $n \in \mathbb{N}$ y utilizando la proposición anterior tenemos que

\begin{gather*}
\lim_{n \to \infty} c_n \geq 0 \\ \\
\Rightarrow \lim_{n \to \infty} ( b_n – a_n ) \geq 0 \\ \\
\Rightarrow \lim_{n \to \infty} b_n \geq \lim_{n \to \infty} a_n
\end{gather*}

$\square$

Ahora veremos una propiedad que nos indica que si una sucesión converge a $L$, la sucesión generada tomando el valor absoluto de sus elementos es una sucesión convergente a $|L|$

Proposición. Sea $\{ a_n \}$ una sucesión en $\mathbb{R}$ que converge a $L$. Entonces la sucesión $\{ |a_n| \}$ converge a $|L|$.

Demostración.

Sea $\epsilon > 0$. Podemos notar que $||a_n| – |L|| \leq |a_n – L|$ y como $\{a_n\}$ converge, existe $n_0 \in \mathbb{N}$ tal que para todo $n \geq n_0$ se tiene que $|a_n – L| < \epsilon$. Entonces

\begin{gather*}
||a_n| – |L|| \leq |a_n – L| < \epsilon \\ \\
\therefore ||a_n| – |L||< \epsilon \\ \\
\therefore \lim_{n \to \infty} |a_n| = |L|
\end{gather*}

$\square$

Proposición. Sea $\{ a_n \}$ una sucesión. Si
$$\lim_{n \to \infty} |a_n| = 0, \quad \text{entonces} \quad \lim_{n \to \infty} a_n = 0.$$

Demostración.
Sea $\epsilon > 0$. Como $$\lim_{n \to \infty} |a_n| = 0$$


Existe $n_0 \in \mathbb{N}$ tal que para todo $n \geq n_0$ se tiene que $||a_n|-0| < \epsilon$
Y notemos que
\begin{align*}
||a_n|-0| =& ||a_n|| \\
= & |a_n| \\
= &|a_n-0|
\end{align*}
\begin{gather*}
\therefore |a_n -0| < \epsilon \\ \\
\therefore \lim_{n \to \infty} a_n = 0
\end{gather*}

$\square$

Proposición. Si $|r|<1$, entonces $$\lim_{n \to \infty} r^n = 0.$$

Demostración.
Si $r = 0$, entonces $r^n = 0$, es decir, la sucesión es una contante lo cual implica que su límite es la misma constante, en este caso $0$.

Supongamos entonces que $r \neq 0$. Como $|r|<1 \Rightarrow \frac{1}{|r|} > 1$. Definamos $b = \frac{1}{|r|}-1$. Notemos que $b > 0 $ y $|r| = \frac{1}{b+1}$. Entonces $|r^n| = (\frac{1}{b+1})^n$, por la desigualdad de Bernoulli tenemos que $(1+ b) ^n \geq 1+ nb $ para todo $n \in \mathbb{N}$. Se sigue que

$$|r^n| = \frac{1}{(1+b) ^n} \leq \frac{1}{1+nb} \leq \frac{1}{nb}$$

Consideremos $n_0 > \frac{1}{b \cdot \epsilon}$, si $n \geq n_0$, entonces

\begin{gather*}
|r^n| \leq \frac{1}{n_0b} \leq \frac{1}{nb} < \epsilon \\ \\
\therefore |r^n| < \epsilon \\ \\
\therefore \lim_{n \to \infty} r^n = 0
\end{gather*}

$\square$

Para finalizar, revisaremos una propiedad muy interesante que nos indica que si dos sucesiones convergentes al mismo límite $L$ «encierran» a una tercera, entonces ésta última también converge y lo hace a $L$. Esta propiedad es conocida como teorema del sándwich.

Teorema. Sean $\{a_n \}$, $\{b_n \}$, $\{c_n \}$ tres sucesiones en $\mathbb{R}$ tales que

i) Para todo $n \in \mathbb{N}$ se tiene que $a_n \leq b_n \leq c_n$

ii) $$\lim_{n \to \infty} a_n = L, \quad \lim_{n \to \infty} c_n = L$$

Entonces $$\lim_{n \to \infty} b_n = L.$$

Demostración.
Sea $\epsilon >0$

Como $\{a_n \}$ converge a $L$, entonces existe $n_1 \in \mathbb{N}$ tal que si $n \geq n_1$ tal que
\begin{gather*}
|a_n – L| < \epsilon \\
\Rightarrow – \epsilon < a_n – L < \epsilon \\
\Rightarrow L – \epsilon < a_n < L + \epsilon
\end{gather*}

De igual forma, como $\{c_n \}$ converge a $L$, entonces existe $n_2 \in \mathbb{N}$ tal que si $n \geq n_2$ tal que

\begin{gather*}
|c_n – L| < \epsilon \\
\Rightarrow – \epsilon < c_n – L < \epsilon \\
\Rightarrow L – \epsilon < c_n < L + \epsilon
\end{gather*}

Sea $n_0 = max \{ n_1, n_2 \}$. Si $n \geq n_0$

\begin{gather*}
L – \epsilon < a_n \leq b_n \quad \text{ y } \quad b_n \leq c_n < \epsilon + L \\ \\
\Rightarrow L – \epsilon < b_n < \epsilon + L \\ \\
\Rightarrow -\epsilon < b_n – L < \epsilon \\ \\
\therefore |b_n – L | < \epsilon \\ \\
\therefore \lim_{n \to \infty} b_n = L
\end{gather*}


$\square$

Ahora veremos un ejemplo donde podemos aplicar el teorema del sándwich.

Ejemplo. Determina el límite de la sucesión $\left\lbrace \frac{n}{n^2+1} \right\rbrace$.

Consideremos la sucesiones $\{a_n \} = 0$ y $ \{b_n \} = \frac{1}{n}$. Podemos observar que para todo $n \in \mathbb{N}$ se tiene que

$$\{a_n \} = 0 \leq \frac{n}{n^2+1} \leq \frac{n}{n^2} = \frac{1}{n} = \{b_n \}$$

Y $\{a_n \}$ y $ \{b_n \}$ convergen a $0$ por lo visto en una entrada anterior. Por el teorema del sándwich, podemos concluir que

$$\lim_{n \to \infty} \frac{n}{n^2+1} = 0$$

Tarea moral

A continuación hay algunos ejercicios para que practiques los conceptos vistos en esta entrada. Te será de mucha utilidad intentarlos para entender más a profundidad la teoría vista.

  1. Prueba que si las sucesiones $\{ a_n \}$ y $\{ b_n \}$ están acotadas, entonces $c_n = 5a_n+8b_n$ también está acotada.
  2. Sea $\{a_n \}$ una sucesión en $\mathbb{R}$ que converge a $L$, si $a_n \geq 0$ para toda $n \in \mathbb{N}$, entonces $$\lim_{n \to \infty} a_n = L \geq 0 $$
  3. Sea $\{a_n \}$ una sucesión en $\mathbb{R}$ que converge a $L$ y, además, $a_n \geq 0$ para todo $n \in \mathbb{N}$. Entonces la sucesión $\{ \sqrt{a_n} \}$ converge y lo hace a $\sqrt{L}$
  4. Demuestra que si $\{ a_n \}$ es una sucesión que converge a $L$, entonces $$\lim_{n \to \infty} \sqrt{(a_n)^2 +12} = \sqrt{L^2 +12}$$
  5. Considera la sucesión $\{ \frac{2n}{3n+1} \}$.
    i) Prueba que $\frac{1}{2} \leq \frac{2n}{3n+1} \leq \frac{2}{3}$
    ii) Usando el teorema del sándwich, calcula el límite de $a_n = \left( \frac{2n}{3n+1} \right)^n$.

Más adelante…

En esta entrada vimos algunas de las propiedades que tienen las sucesiones convergentes. En la siguiente entrada revisaremos propiedades de las sucesiones que divergen a infinito. Una vez que hayamos dominado todas estas propiedades estaremos listos para dar el siguiente paso y llegar a uno de los conceptos frecuentemente usados en cálculo: límite de una función.

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Cálculo Diferencial e Integral I: Sucesiones convergentes

Introducción

Anteriormente se dio la definición de sucesión y revisamos algunos ejemplos. En esta entrada se definirá la convergencia para una sucesión y se darán varios ejemplos de sucesiones convergentes y no convergentes.

Límite de una sucesión

A continuación daremos la definición del límite de una sucesión:

Definición. Sea $\{ a_n \}$ una sucesión en $\mathbb{R}$. Sea $L \in \mathbb{R}$, decimos que $\{a_n\}$ tiene límite en $L$ si para todo $ \epsilon > 0$ existe un número natural $n_0$ tal que para todo $n \geq n_0$ se satisface $ | a_n – L |< \epsilon$.

Si una sucesión tiene límite en $L$, también decimos que converge a $L$ y lo denotamos como $$\lim_{n\to \infty} a_n = L.$$

En términos más simples, la definición nos indica que una sucesión es convergente a $L$ si a partir de cierto elemento en la sucesión ($n_0$), estamos lo suficientemente cerca ($\epsilon$) de $L$.

Ejemplos de sucesiones convergentes

Ahora continuaremos con algunos ejemplos de sucesiones convergentes. Es importante recalcar que para demostrar que una sucesión converge a $L$, deberemos dar explícitamente $n_0$ que para un $\epsilon > 0$ arbitrario dado se cumpla $| a_n – L |< \epsilon$ para todo $n \geq n_0$.

Ejemplo. Sea $k$ un número real y consideremos la sucesión $ a_n = k$, entonces $$\lim_{n \to \infty} k = k.$$

Demostración.

Sea $\epsilon > 0$ (establecemos el valor arbitrario de un epsilon positivo).
Consideremos $n_0 = 1$ (damos el valor de $n_0 $ explícito).
Si $n \geq n_0$, entonces

\begin{gather*}
|a_n-k| = |k-k| = 0 < \epsilon \\
\therefore \lim_{n \to \infty} k = k
\end{gather*}

$\square$


El ejemplo anterior es uno sencillo, sin embargo, como lo podemos ver en los comentarios entre paréntesis, están presentes los pasos relevantes para demostrar la convergencia. En este caso, dado que nuestra sucesión era un valor constante, el valor de $n_0$ que funcionaba era cualquier número natural, pero, en general, su valor estará definido en términos de epsilon.

Ejemplo. Consideremos la sucesión $\{ \frac{1}{n} \}$, entonces $$\lim_{n \to \infty} \frac{1}{n} = 0.$$

Demostración.

Sea $\epsilon >0$.

Dado que el valor de $\epsilon$ es positivo y, por la propiedad Arquimediana, existe $n_0 \in \mathbb{N}$ tal que $1 < n_0 \cdot \epsilon$, es decir, $\frac{1}{n_0} < \epsilon$. Así, para cualquier $n \geq n_0$ se tiene que $\frac{1}{n} \leq \frac{1}{n_0} < \epsilon $. De lo anterior se sigue que

$| \frac{1}{n} – 0| = \frac{1}{n} < \epsilon$

$\therefore | \frac{1}{n} – 0| < \epsilon$ para todo $n \geq n_0$

$$\therefore \lim_{n \to \infty} = 0$$

$\square$

En este último ejemplo podemos observar cómo se establece $n_0$ en función de $\epsilon$ y la relevancia de la propiedad Arquimediana que estará constantemente presente al momento de demostrar convergencia mediante su definición.


Ejemplo. $$\lim_{n \to \infty} \frac{8n-5}{3n} = \frac{8}{3}$$

Demostración.

Sea $\epsilon > 0$.
Notemos

$$\left\lvert \frac{8n-5}{3n} – \frac{8}{3} \right\rvert = \left\lvert \frac{8n-5-8n}{3n} \right\rvert = \left\lvert \frac{-5}{3n} \right\rvert = \frac{5}{3n}$$

\begin{align*}
\therefore \left\lvert \frac{8n-5}{3n} – \frac{8}{3} \right\rvert = \frac{5}{3n} \tag{1}
\end{align*}

Consideremos $n_0 \cdot \epsilon > \frac{5}{3}$, que sabemos que existe gracias a la propiedad arquimediana.

$$\Rightarrow \epsilon > \frac{5}{3n_0}$$

Si $n \geq n_0$, entonces tenemos

\begin{align*}
\left\lvert \frac{8n-5}{3n} – \frac{8}{3} \right\rvert =& \frac{5}{3n}, \text{ por (1)} \\
\leq & \frac{5}{3n_0}, \text{ pues }n \geq n_0 \\
<& \epsilon
\end{align*}

$$\therefore \left\lvert \frac{8n-5}{3n} – \frac{8}{3} \right\rvert < \epsilon$$

$$\therefore \lim_{n \to \infty} \frac{8n-5}{3n} = \frac{8}{3}$$

$\square$

Ejemplo. $$\lim_{n \to \infty} \left( \sqrt{n+1}-\sqrt{n} \right) = 0$$

Demostración.

Sea $\epsilon > 0$. Primero veamos que

\begin{align*}
\sqrt{n+1}-\sqrt{n} =& (\sqrt{n+1}-\sqrt{n}) \cdot \frac{\sqrt{n+1}+\sqrt{n}}{\sqrt{n+1}+\sqrt{n}} \\ \\
=& \frac{\sqrt{n+1} ^ 2 – \sqrt{n}^2}{\sqrt{n+1}+\sqrt{n}} \\ \\
=& \frac{n+1 – n}{\sqrt{n-1}+\sqrt{n}} \\ \\
=&\frac{1}{\sqrt{n-1}+\sqrt{n}} \\ \\
\leq & \frac{1}{\sqrt{n}}
\end{align*}


$$\therefore \sqrt{n-1}-\sqrt{n} \leq \frac{1}{\sqrt{n}}$$

Consideremos $n_0 > \frac{1}{\epsilon^2} \Rightarrow \frac{1}{\sqrt{n_0}} < \epsilon$. Entonces tenemos

\begin{align*}
\left\lvert \sqrt{n-1}-\sqrt{n} – 0 \right\rvert =& \frac{1}{\sqrt{n-1}+\sqrt{n}} \text{, por la observación anterior} \\
\leq & \frac{1}{\sqrt{n}} \\
\leq & \frac{1}{\sqrt{n_0}}, \text{pues } n \geq n_0 \\
< & \epsilon
\end{align*}

$\therefore |\sqrt{n-1}-\sqrt{n} – 0| < \epsilon$

$$\therefore \lim_{n \to \infty} \left(\sqrt{n+1}-\sqrt{n} \right)= 0$$

$\square$

Los dos ejemplos de arriba hacen uso de manipulaciones algebraicas que nos permiten simplificar nuestro problema; esta técnica de simplificación de expresiones, cuyo fin es llevarlas a otras más sencillas, es ampliamente usada para demostrar la convergencia de sucesiones.

Ejemplos de sucesiones no convergentes

Después de haber revisado ejemplos de sucesiones convergentes, vale la pena conocer sucesiones que no convergen, es decir, que su límite no existe.

Ejemplo. Consideremos la sucesión $a_n = (-1)^n$. El límite de $\{a_n\}$ no existe.

Demostración.

Procederemos a hacer esta demostración por contradicción. Supongamos que existe $L \in \mathbb{R}$ tal que $$\lim_{n \to \infty} (-1)^n = L.$$

Consideremos $\epsilon = 1/2 > 0$. Por definición, existe $n_0 \in \mathbb{N}$ tal que si $n\geq n_0$ entonces $|(-1)^n-L| < \frac{1}{2}$

Tomemos $2n_0 > n_0$ y $2n_0+1>n_0$, entonces
\begin{gather*}
|(-1)^{2n_0}-L| < \frac{1}{2} \Rightarrow |1-L|< \frac{1}{2} \tag{1} \\
|(-1)^{2n_0+1}-L| < \frac{1}{2} \Rightarrow |-1-L| = |1+L|< \frac{1}{2} \tag{2}
\end{gather*}

Y notemos que

\begin{align*}
2 = |1+1| =& |1-L+L+1| \\
\leq & |1-L| + |1+L| \\
< & \frac{1}{2} + \frac{1}{2} \text{, por (1) y (2)}
\end{align*}

$\Rightarrow 2<1 \Rightarrow\!\Leftarrow$

Lo cual es una contradicción y lo indicamos con el símbolo $\Rightarrow\!\Leftarrow$.
Por tanto, podemos concluir que tal límite no existe.

$\square$

Ahora veremos ejemplos de sucesiones que divergen a infinito y, para ello, presentaremos la siguiente definición.

Definición. Sea $\{a_n\}$ una sucesión en $\mathbb{R}$. Decimos que $\{a_n\}$ diverge a infinito si $\forall M \in \mathbb{R}$ existe $n_0 \in \mathbb{N}$ tal que si $n \geq n_0$ entonces $M < a_n$.

La definición anterior nos indica que una sucesión diverge a infinito si para cualquier número real ($M$), existe un punto ($n_0$) en el que todos los valores subsecuentes en la sucesión son mayores que $M$. Cuando una sucesión $\{ a_n \}$ diverja a infinito lo denotaremos como $$\lim_{n \to \infty} a_n = \infty.$$

Ejemplo. La sucesión $a_n = n$ diverge a infinito.

Demostración.

Sea $M \in \mathbb{N}$. Sabemos que $\mathbb{N}$ no está acotado superiormente, entonces existe $n_0 \in \mathbb{N}$ tal que $M< n_0$. De esta forma, si $n \geq n_0$, se tiene que $M<n$.

$\square$

Ejemplo. $$\lim_{n \to \infty} n^2 = \infty$$

Demostración.

Procederemos a hacer la prueba por contradicción. Supongamos entonces que para todo $n\in \mathbb{N}$ se tiene que $n^2 \leq M$ para algún $M \in \mathbb{R}$.

$\Rightarrow \sqrt{n^2} \leq \sqrt{M}$

$\Rightarrow n \leq \sqrt{M} \Rightarrow\!\Leftarrow$

Lo cual es una contradicción pues sabemos que los números naturales no están acotados superiormente.

$\therefore n^2$ diverge al infinito

$\square$

Tarea moral

A continuación hay algunos ejercicios para que practiques los conceptos vistos en esta entrada. Te será de mucha utilidad intentarlos para entender más a profundidad la teoría vista.

  1. Prueba que el límite de una sucesión convergente es único.
  2. Demuestra lo siguiente:
    a) $$\lim_{n \to \infty} \frac{(-1)^n}{n} = 0$$
    b) $$\lim_{n \to \infty} \sqrt{n} = \infty$$
    c) $$\lim_{n \to \infty} \sqrt{12+ \frac{1}{n}} = \sqrt{12}$$
  3. Sea $\{ a_n \}$ una sucesión en $\mathbb{R}$ y sea $L \in \mathbb{R}$. Prueba que $$\lim_{n \to \infty} a_n = L \iff \lim_{n \to \infty} a_n – L = 0.$$
  4. Una sucesión también puede ser divergente a $-\infty$. Propón una definición análoga a la divergencia al infinito y prueba que $$\lim_{n \to \infty} – \sqrt{n} = – \infty.$$

Más adelante…

Se han revisado las definiciones de convergencia y divergencia a infinito, hemos visto diversos ejemplos de ambas definiciones. En las siguientes entradas se revisarán criterios para la convergencia de sucesiones así como sus propiedades y teoremas con lo cual podremos determinar si una sucesión es convergente o no de manera más rápida.

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