1. Jonot

Sisältö

  • Peruskäsitteet
  • Tärkeitä jonoja
  • Suppeneminen ja raja-arvo

Jonot


Tämä luku sisältää tärkeimmät jonoihin liittyvät käsitteet. Käsittelemme käytännössä vain reaalilukujonohin liittyviä asioita.

Määritelmä: Jono

Olkoon M epätyhjä joukko. Jono on funktio

f:\mathbb{N}\rightarrow M.

Usein käytetään nimitystä jono joukossa M.

Huom. Koska \mathbb{N} on järjestetty joukko, niin myös jonon termeillä  f(n) on vastaava järjestys. Sen sijaan joukon alkioilla ei yleisessä tapauksessa ole määrättyä järjestystä.

Määritelmä: Jonon termit ja indeksit

Jonoille voidaan käyttää myös merkintöjä

(a_{1}, a_{2}, a_{3}, \ldots) = (a_{n})_{n\in\mathbb{N}} = (a_{n})_{n=1}^{\infty} = (a_{n})_{n}

muodon f(n) sijaan. Luvut a_{1},a_{2},a_{3},\ldots\in M ovat jonon termejä.


 Funktion \begin{aligned} f:\mathbb{N} \rightarrow & M \\
		n \mapsto & a_{n}\end{aligned} perusteella jokaiseen jonon termiin liittyy yksikäsitteinen lukua n\in\mathbb{N} to each term. Se merkitään alaindeksinä ja sitä kutsutaan vastaavan jonon termin indeksiksi; jokainen jonon termi voidaan siis tunnistaa sen indeksin avulla.

n 1 2 3 4 5 6 7 8 9 \ldots
\downarrow \downarrow \downarrow \downarrow \downarrow \downarrow \downarrow \downarrow \downarrow
a_{n}

a_{1} a_{2} a_{3} a_{4} a_{5} a_{6} a_{7} a_{8} a_{9} \ldots

Esimerkkejä

Esimerkki 1: Luonnollisten lukujen jono

Jono (a_{n})_{n}, joka on määritelty kaavalla a_{n}:=n,\,n\in \mathbb{N} on nimeltään luonnollisten lukujen jono. Sen ensimmäiset termit ovat: a_1=1,\, a_2=2,\, a_3=3, \ldots


Esimerkki 2: Kolmiolukujen jono

Kolmioluvut saavat nimensä seuraavasta geometrisesta periaatteesta: Asetetaan sopiva määrä kolikoita niin, että syntyy yhä suurempia tasasivuisia kolmioita:


Ensimmäisen kolikon alle lisätään kaksi kolikkoa, jolloin toisessa vaiheessa saadaan a_2=3 kolikkoa. Seuraavaksi tämän kolmion alle lisätään kolme uutta kolikkoa, joita on nyt yhteensä a_3=6. Etenemällä samaan tapaan huomataan, että esimerkiksi 10. kolmioluku saadaan laskemalla yhteen 10 ensimmäistä luonnollista lukua: a_{10} = 1+2+3+\ldots+9+10. Yleinen kaava kolmiolukujonon termeille on a_{n} = 1+2+3+\ldots+(n-1)+n. Kolmioluvuille käytetään yleensä merkintää T_n (T = 'Triangle').


Tämä motivoi seuraavaan määritelmään:

Määritelmä: Summajono

Olkoon (a_n)_n, a_n: \mathbb{N}\to M jono joukossa  M, jossa on määritelty yhteenlasku.  Merkitään a_1 + a_2 + a_3 + \ldots + a_{n-1} + a_n =: \sum_{k=1}^n a_k. Symboli \sum on kreikkalainen kirjain sigma. Summausindeksi k kasvaa alkuarvosta 1 loppuarvoon n.

Summajono saadaan siis alkuperäisestä jonosta laskemalla alkupään termejä yhteen aina yksi termi eteenpäin. Varsinkin sarjojen kohdalla käytetään nimeä osasummajono.

Kolmiolukujen yleinen kaava voidaan siis kirjoittaa muodossa T_n = \sum_{k=1}^n k ja kyseessä on luonnollisten lukujen jonon summajono.

Esimerkki 3: Neliölukujen jono

Neliölukujen jono (q_n)_n määritellään kaavalla q_n=n^2. Tämän jonon termejä voidaan havainnollistaa asettelemalla kolikoita neliön muotoon.

Yksi mielenkiintoinen havainto on se, että kahden peräkkäisen kolmioluvun summa on aina neliöluku. Esimerkiksi 3+1=4 ja 6+3=9. Yleisesti määritelmiä käyttämällä voidaan osoittaa, että

q_n=T_n + T_{n-1}.


Esimerkki 4: Kuutiolukujen jono

Vastaavasti kuutiolukujen jono määritellään kaavalla a_n := n^3. Jonon ensimmäiset termit ovat silloin  (1,8,27,64,125,\ldots).


Esimerkki 5.

Olkoon (q_n)_n with q_n := n^2 neliölukujen jono \begin{aligned}(1,4,9,16,25,36,49,64,81,100 \ldots)\end{aligned} ja määritellään funktio \varphi(n) = 2n. Jonosta (q_{2n})_n saadaan \begin{aligned}(q_{2n})_n &= (q_2,q_4,q_6,q_8,q_{10},\ldots) \\
        &= (4,16,36,64,100,\ldots).\end{aligned}

Määritelmä: Erotusjono (differenssijono)

Jonon (a_{n})_{n}=a_{1},\, a_{2},\, a_{3},\ldots,\, a_{n},\ldots termeistä voidaan myös muodostaa peräkkäisten termien erotuksia: (a_{n+1}-a_{n})_{n}:=a_{2}-a_{1}, a_{3}-a_{2},\dots on nimeltään alkuperäisen jonon (a_{n})_{n} ensimmäinen differenssijono.

Ensimmäisen differenssijonon ensimmäinen differenssijono on alkuperäisen jonon  toinen differenssijono. sequence. Vastaavalla tavalla määritellään jonon n. differenssijono.

Esimerkki 6.

Tarkastellaan jonoa (a_n)_n, jossa a_n := \frac{n^2+n}{2}, eli \begin{aligned}(a_n)_n &= (1,3,6,10,15,21,28,36,\ldots)\end{aligned} Olkoon (b_n)_n sen 1. differenssijono. Silloin \begin{aligned}(b_n)_n &= (a_2-a_1, a_3-a_2, a_4-a_3,\ldots) \\
		&= (2,3,4,5,6,7,8,9,\ldots)\end{aligned}  Termin (b_n)_n yleinen muoto on \begin{aligned}b_n &= a_{n+1}-a_{n} \\
		&= \frac{(n+1)^2+(n+1)}{2} - \frac{n^2+n)}{2} \\
		&= \frac{(n+1)^2+(n+1)-n^2 - n }{2} \\
		&= \frac{(n^2+2n+1)+1-n^2}{2} \\
		&= \frac{2n+2}{2} \\
		&= n + 1.\end{aligned}

Eräitä tärkeitä jonoja


Eräät jonot ovat keskeisiä monille matemaattisille malleille ja niiden käytännön sovelluksille muilla aloilla kuten luonnontieteissä ja taloustieteissä.) Seuraavassa tarkastellaan kolme tällaista jonoa: aritmeettinen jono, geometrinen jono ja Fibonaccin lukujono.

Aritmeettinen jono

Aritmeettinen jono voidaan määritellä monella eri tavalla:
Määritelmä A: Aritmeettinen jono

Jono (a_{n})_{n} on aritmeettinen, jos sen peräkkäisten termien erotus d \in \mathbb{R} on vakio, t.s. a_{n+1}-a_{n}=d \text{ ja } d=vakio.

Huomautus: Aritmeettisen jonon eksplisiittinen kaava  seuraa suoraan määritelmästä A: a_{n}=a_{1}+(n-1)\cdot d. Aritmeettisen jonon n. termi voidaan laskea myös palautuskaavan (eli rekursiokaavan) avulla: a_{n+1}=a_n + d.

Määritelmä B: Aritmeettinen jono

Jono (a_{n})_{n} on aritmeettinen jono, jos sen ensimmäinen differenssijono on vakiojono.

Tämä määritelmä selventää myös aritmeettisen jonon nimen: Kolmen peräkkäisen termin keskimmäinen luku on kahden muun termin aritmeettinen keskiarvo; esimerkiksi

a_2 = \frac{a_1+a_3}{2}.

Esimerkki 1.

Luonnollisten lukujen jono (a_n)_n = (1,2,3,4,5,6,7,8,9,\ldots) on aritmeettinen, koska peräkkäisten termien erotus on d=1.

Geometrinen jono

Myös geometrisella jonolla on useita erilaisia määritelmiä:

Määritelmä: Geometrinen jono

Jono (a_{n})_{n} on geometrinen, jos kahden präkkäisen termin suhde on aina vakio q\in\mathbb{R}, t.s. \frac{a_{n+1}}{a_{n}}=q \text{ kaikille } n\in\mathbb{N}.

Huomautus. Palautuskaava a_{n+1} = q\cdot a_n geometrisen jonon termeille ja myös eksplisiittinen lauseke a_n=a_1\cdot q^{n-1} seuraavat suoraan määritelmästä.

Myös tässä jonon nimityksellä on looginen tausta: Kolmen peräkkäisen termin keskimmäinen luku on aina kahden muun termin geometrinen keskiarvo; esimerkiksi a_2 = \sqrt{a_1\cdot a_3}.

Esimerkki 2.

Olkoon a\in\mathbf{R} ja q\neq 0. Jono (a_n)_n, jolle a_n := aq^{n-1}, eli \left( a_1, a_2, a_3, a_4,\ldots \right) = \left( a, aq, aq^2, aq^3,\ldots \right), on geometrinen jono. Jos a> 0 ja q\geq1, niin jono on aidosti kasvava. Jos a>0 ja q, niin se on aidosti vähenevä. Jonon alkioiden muodostama joukko {a,aq,aq^2, aq^3} on äärellinen, jos q=1 (jolloin sen ainoa alkio on a), muuten tämä joukko on ääretön.

Fibonaccin jono

Fibonaccin lukujono on kuuluisa sen biologisten sovellusten vuoksi. Se esiintyy mm.eliöiden populaation kasvun yhteydessä ja kasvien rakenteessa. Palautuskaavaan perustuva määritelmä on seuraava:

Määritelmä: Fibonaccin jono

Olkoon a_0 = a_1 = 1 ja a_n := a_{n-2}+a_{n-1}, kun n\geq2. Jono (a_n)_n on Fibonaccin lukujono. Jonon termit ovat Fibonaccin lukuja.

Jonon nimen takana on italialainen Leonardo Pisano (1200-luvulla), latinalaiselta nimeltään Filius Bonacci. Hän tutki kaniparien lisääntymistä idealisoidussa tilanteessa, jossa kanit eivät kuole ja kaikki vanhat sekä uudet parit lisääntyvät säännöllisin väliajoin. Näin hän päätyi jonoon (1,1,2,3,5,8,13,21,34,55,\ldots).


Esimerkki 3.

Auringonkukan kukat muodostuvat kahdesta spiraalista, jotka aukeavat keskeltä vastakkaisiin suuntiin: 55 spiraalia myötäpäivään ja 34  vastapäivään.

Myös ananashedelmän pinta käyttäytyy samalla tavalla. Siinä on 21 spiraalia yhteen suuntaan ja 34 vastakkaiseen. Myös joissakin kaktuksissa ja havupuiden kävyissä on samanlaisia rakenteita.


Suppeneminen, hajaantuminen ja raja-arvo


Tässä luvussa käsitellään jonon suppenemista. Aloitamme nollajonon käsitteestä ja siirrymme sen avulla yleiseen suppenemisen käsitteeseen.

Huomautus: Itseisarvo joukossa \mathbb{R}

Itseisarvofunktio x \mapsto |x| on keskeisessä asemassa jonojen suppenemisen tutkimisessa. Seuraavassa käydään läpi sen tärkeimmät ominaisuudet:

Määritelmä: Itseisarvo

Reaaliluvun x\in\mathbb{R}  itseisarvo |x| on \begin{aligned}|x|:=\begin{cases}x, & \text{jos }x\geq0,\\
		-x, & \text{jos }x

Itseisarvofunktion kuvaaja


Lause: Itseisarvon laskusääntöjä

Kaikille reaaliluvuille x,y\in\mathbb{R} pätee:

  1. |x|\geq0,

  2. |x|=0 täsmälleen silloin, kun x=0.

  3. |x\cdot y|=|x|\cdot|y| (multiplikatiivisuus)

  4. |x+y|\leq|x|+|y| (kolmioepäyhtälö)

Todistus.

Kohdat 1.-3. Results follow directly from the definition and by dividing it up into separate cases of the different signs of x and y

Kohta 4. Tämä kohta voidaan todistaa neliöön korottamalla tai tutkimalla kaikki eri vaihtoehdot kuten alla.
Tapaus 1.

Olkoot x,y \geq 0. Silloin \begin{aligned}|x+y|=x+y=|x|+|y|\end{aligned} ja kaava pätee.

Tapaus 2.

Olkoot seuraavaksi x,y < 0. Silloin \begin{aligned}|x+y|=-(x+y)=(-x)+ (-y)=|x|+|y|.\end{aligned}

Tapaus  3.

Tutkitaan lopuksi tapaus x\geq 0 and y, joka jakaantuu kahteen alakohtaan:

  • Jos x \geq -y, niin x+y\geq 0 ja siten |x+y|=x+y määritelmän perusteella. Koska y, niin y ja sen vuoksi x+y < x-y. Siis \begin{aligned}|x+y| = x+y < x-y = |x|+|y|.\end{aligned}

  • Jos x < -y, niin x+y, ja tällöin |x+y|=-(x+y)=-x-y. Koska x\geq0, niin -x < x ja siten -x-y\leq x-y. Siispä \begin{aligned}|x+y| = -x-y \leq x-y = |x|+|y|.\end{aligned}

Tapaus 4.

Jos x ja y\geq0, niin väite seuraa samalla periaatteella kuin tapauksessa 3, kun vaihdetaan keskenään x ja y.

\square

Nollajono

Määritelmä: Nollajono

Jono (a_{n})_{n} on nollajono, jos jokaista \varepsilon>0, vastaa sellainen indeksi n_{0}\in\mathbb{N}, että |a_{n}| < \varepsilon kaikille n\geq n_{0},\, n\in\mathbb{N}. Tällöin sanotaan, että jono suppenee kohti nollaa.

Intuitiivisesti: Nollajonon termit menevät mielivaltaisen lähelle nollaa, kun jonossa mennään riittävän pitkälle.

Esimerkki 1.

Jono (a_n)_n, joka on määritelty kaavalla a_{n}:=\frac{1}{n}, eli \left(a_{1},a_{2},a_{3},a_{4},\ldots\right):=\left(\frac{1}{1},\frac{1}{2},\frac{1}{3},\frac{1}{4},\ldots\right) on nimeltään harmoninen jono. Jonon termit ovat positiivisia kaikilla n\in\mathbb{N}, mutta indeksin n kasvaessa jonon termit pienenevät yhä lähemmäksi nollaa.
 Jos esimerkiksi \varepsilon := \frac{1}{5000}, niin valinnalla n_0 = 5001 pätee a_n aina, kun n\geq n_0.

Harmoninen jono suppenee kohti nollaa

Esimerkki 2.

Tarkastellaan jonoa (a_n)_n \text{ jossa } a_n:=\frac{1}{\sqrt{n}}. Olkoon \varepsilon := \frac{1}{1000}. Tällöin valinnalla n_0=1000001 kaikille termeille a_n, joissa n\geq n_0, pätee a_n < \frac{1}{1000}=\varepsilon.

Note. Tutkittaessa nollajono-ominaisuutta täytyy tutkia mielivaltaista lukua \varepsilon \in \mathbb{R}, jolle \varepsilon > 0. Sen jälkeen yritetään valita sellainen indeksi n_0, josta alkaen jokainen |a_n| on pienempi kuin \varepsilon.

Esimerkki 3.

Tarkastellaan jonoa (a_n)_n, jossa a_n := \left( -1 \right)^n \cdot \frac{1}{n^2}.

Kerrointen (-1)^n vuoksi jonon kaksi peräkkäistä termiä ovat aina erimerkkisiä; tällaista jonoa kutsutaan yleisemmin vuorottelevaksi jonoksi.

Osoitetaan, että kyseessä on nollajono. Määritelmän mukaan jokaista \varepsilon > 0 täytyy vastata sellainen n_0 \in \mathbb{N}, että epäyhtälö |a_n|< \varepsilon pätee kaikille niille termeille a_n, joissa n\geq n_0.

Todistus.

Olkoon siis \varepsilon > 0 mielivaltainen. Koska epäyhtälön  |a_n|< \varepsilon täytyy olla voimassa kaikille \varepsilon>0, indeksin n_0 täytyy riippua luvusta \varepsilon. Tarkemmin:  Epäyhtälön |a_{n_0}|=\left| \frac{1}{{n_0}^2} \right|= \frac{1}{{n_0}^2} täytyy toteutua indeksillä n_0. Ratkaistaan n_0: n_0 > \frac{1}{\sqrt{\varepsilon}}.. Mikä tahansa tämän ehdon toteuttava indeksi n_0 kelpaa valinnaksi, kun \varepsilon > 0 on alussa kiinnitetty.

Hajaantuvia esimerkkejä

Seuraavat kaavat eivät johda nollajonoon:

  • a_n = (-1)^n

  • a_n = (-1)^n \cdot n

Lause: Nollajonojen ominaisuuksia

Olkoot (a_n)_n ja (b_n)_n jonoja. Silloin pätee:

  1. Jos (a_n)_n on nollajono ja joko b_n = a_n tai b_n = -a_n kaikilla n\in\mathbb{N}, niin (b_n)_n on myös nollajono.

  2. Jos (a_n)_n on nollajono ja -a_n\leq b_n \leq a_n kaikilla n\in\mathbb{N}, niin (b_n)_n on myös nollajono.

  3. Jos (a_n)_n on nollajono, niin (c\cdot a_n)_n, c \in \mathbb{R}, on myös nollajono.

  4. Jos (a_n)_n ja (b_n)_n ovat nollajonoja, niin (a_n + b_n)_n on myös nollajono.

Todistus.

Parts 1 and 2. If (a_n)_n is a zero sequence, then according to the definition there is an index n_0 \in \mathbb{N}, such that |a_n| for every n\geq n_0 and an arbitrary \varepsilon\in\mathbb{R}. But then we have |b_n|\leq|a_n|; this proves parts 1 and 2 are correct.

Part 3. If c=0, then the result is trivial. Let c\neq0 and choose \varepsilon > 0 such that \begin{aligned}|a_n| for all n\geq n_0. Rearranging we get: \begin{aligned} |c|\cdot|a_n|=|c\cdot a_n|

Part 4.

Because (a_n)_n is a zero sequence, by the definition we have |a_n| for all n\geq n_0. Analogously, for the zero sequence (b_n)_n there is a m_0 \in \mathbb{N} with |b_n| for all n\geq m_0.

Then for all n > \max(n_0,m_0) it follows (using the triangle inequality) that: \begin{aligned}|a_n + b_n|\leq|a_n|+|b_n|

\square

Suppeneminen ja hajaantuminen

Nollajonoja voidaan käyttää tutkimaan jonojen suppenemista yleisemmin:

Määritelmä: Suppeneminen ja hajaantuminen

Jono (a_{n})_{n} suppenee kohti raja-arvoa a\in\mathbb{R}, jos jokaista \varepsilon>0 vastaa sellainen n_{0}, että |a_{n}-a| \lt \varepsilon \text{ kaikille niille }n\in\mathbb{N}_{0},\text{ joille }n\geq n_{0}.

Tämän kanssa on yhtäpitävää:

Jono (a_{n})_{n} suppenee kohti raja-arvoa a\in\mathbb{R}, jos (a_{n}-a)_{n} on nollajono.

Esimerkki 4.

Tarkastellaan jonoa (a_n)_n, jossa a_n=\frac{2n^2+1}{n^2+1}. Laskemalla jonon termejä suurilla n, huomataan, että ilmeisesti  a_n\to 2, kun  n \to \infty, joten jonon raja-arvo voisi olla a=2.

Todistus.

For a rigorous proof, we show that for every \varepsilon > 0 there exists an index n_0\in\mathbb{N}, such that for every term a_n with n>n_0 the following relationship holds: \left| \frac{2n^2+1}{n^2+1} - 2\right| < \varepsilon.

Firstly we estimate the inequality: \begin{aligned}\left|\frac{2n^2+1}{n^2+1}-2\right| =&\left|\frac{2n^2+1-2\cdot\left(n^2+1\right)}{n^2+1}\right| \\
			=&\left|\frac{2n^2+1-2n^2-2}{n^2+1}\right| \\
			=&\left|-\frac{1}{n^2+1}\right| \\
			=&\left|\frac{1}{n^2+1}\right| \\

Now, let \varepsilon > 0 be an arbitrary constant. We then choose the index n_0\in\mathbb{N}, such that n_0 > \frac{1}{\varepsilon} \text{, or equivalently, }  \frac{1}{n_0} < \varepsilon. Finally from the above inequality we have: \left|\frac{2n^2+1}{n^2+1}-2\right| < \frac{1}{n} < \frac{1}{n_0} < \varepsilon, Thus we have proven the claim and so by definition a=2 is the limit of the sequence.

\square

Jos jono suppenee, niin sillä voi olla vain yksi raja-arvo.

Lause: Raja-arvon yksikäsitteisyys
Oletetaan, että jono (a_{n})_{n} suppenee kohti raja-arvoa a\in\mathbb{R} ja kohti raja-arvoa b\in\mathbb{R}. Silloin a=b.

Todistus.

Assume a\ne b; choose \varepsilon\in\mathbb{R} with \varepsilon:=\frac{1}{3}|a-b|. Then in particular [a-\varepsilon,a+\varepsilon]\cap[b-\varepsilon,b+\varepsilon]=\emptyset.

Because (a_{n})_{n} converges to a, there is, according to the definition of convergence, a index n_{0}\in\mathbb{N} with |a_{n}-a|< \varepsilon for n\geq n_{0}. Furthermore, because (a_{n})_{n} converges to b there is also a \widetilde{n_{0}}\in\mathbb{N} with |a_{n}-b|< \varepsilon for n\geq\widetilde{n_{0}}. For n\geq\max\{n_{0},\widetilde{n_{0}}\} we have: \begin{aligned}\varepsilon\ = &\ \frac{1}{3}|a-b| \Rightarrow\\
			3\varepsilon\ = &\ |a-b|\\
			= &\ |(a-a_{n})+(a_{n}-b)|\\
			\leq &\ |a_{n}-a|+|a_{b}-b|\\
			< &\ \varepsilon+\varepsilon=2\varepsilon,\end{aligned} Consequently we have obtained 3\varepsilon\leq2\varepsilon, which is a contradiction as \varepsilon>0. Therefore the assumption must be wrong, so a=b.

\square


Määritelmä: Raja-arvo
Suppenevan jonon raja-arvolle käytetään merkintöjä

a_{n}\rightarrow a,\text{ tai }\lim_{n\rightarrow\infty}a_{n}=a. Määritelmä on yksikäsitteinen yllä olevan lauseen perusteella. Jos jonolla ei ole raja-arvoa, niin se hajaantuu.


Lause: Rajoitettu jono

Suppeneva jono (a_n)_n on rajoitettu, t.s. on olemassa sellainen vakio C\in\mathbb{R} että
|a_n| \lt C
kaikilla n\in\mathbb{N}.

Todistus.

We assume that the sequence (a_n)_n has the limit a. By the definition of convergence, we have that |a_n - a| for all \varepsilon \in \mathbb{R} and n\geq n_0. Choosing \varepsilon = 1 gives:
\begin{aligned}|a_n|-|a|&\ \leq |a_n -a| \\
			&\ < 1,\end{aligned} And therefore also |a_n|\leq |a|+1.

Thus for all n\in \mathbb{N}: |a_n|\leq \max \left\{ |a_1|,|a_2|,\ldots,|a_{n_0}|,|a|+1 \right\}=:r

\square

Suppenevien jonojen ominaisuuksia

Lause: Osajono

Olkoon (a_{n})_{n} suppeneva jono, jolle a_{n}\rightarrow a ja olkoon (a_{\varphi(n)})_{n} jonon (a_{n})_{n} osajono. Silloin (a_{\varphi(n)})_{n}\rightarrow a.

Sanallisesti: Suppenevan jonon kaikki osajonot suppenevat kohti alkuperäisen jonon raja-arvoa.

Todistus.

By the definition of a subsequence \varphi(n)\geq n. Because a_{n}\rightarrow a it is implicated that |a_{n}-a| for n\geq n_{0}, therefore |a_{\varphi(n)}-a| for these indices n.

\square


Lause: Laskusääntöjä

Olkoot (a_{n})_{n} ja (b_{n})_{n} suppenevia jonoja, joille a_{n}\rightarrow a ja b_{n}\rightarrow b. Silloin kaikille \lambda, \mu \in \mathbb{R} pätee:

  1. \lambda \cdot (a_n)+\mu \cdot (b_n) \to \lambda \cdot a + \mu \cdot b

  2. (a_n)\cdot (b_n) \to a\cdot b

Sanallisesti: Suppenevien jonojen summat ja tulot ovat suppenevia jonoja.

Todistus.

Part 1. Let \varepsilon > 0. We must show, that for all n \geq n_0 it follows that: |\lambda \cdot a_n + \mu \cdot b_n - \lambda \cdot a - \mu  \cdot b| < \varepsilon. The left hand side we estimate using: |\lambda (a_n-a)+\mu (b_n - b)| \leq |\lambda|\cdot|a_n-a|+|\mu|\cdot|b_n-b|.

Because (a_n)_n and (b_n)_n converge, for each given \varepsilon > 0 it holds true that: \begin{aligned}|a_n - a|

Therefore \begin{aligned}|\lambda|\cdot|a_n-a|+|\mu|\cdot|b_n-b| < &\ |\lambda|\varepsilon_1 + |\mu|\varepsilon_2 \\
			= &\ \textstyle{ \frac{\varepsilon}{2} + \frac{\varepsilon}{2} } = \varepsilon\end{aligned} for all numbers n \geq \max \{n_0,n_1\}. Therefore the sequence \left( \lambda \left( a_n - a \right) + \mu \left( b_n - b \right) \right)_n is a zero sequence and the desired inequality is shown.

Part 2. Let \varepsilon > 0. We have to show, that for all n > n_0 |a_n b_n - a b| < \varepsilon. Furthermore an estimation of the left hand side follows: \begin{aligned}
			|a_n b_n - a b| =&\ |a_n b_n - a b_n + a b_n - ab| \\
			\leq &\ |b_n|\cdot|a_n-a| + |a|\cdot|b_n - b|.\end{aligned} We choose a number B, such that |b_n| \lt b for all n and |a| \lt b. Such a value of B exists by the Theorem of convergent sequences being bounded. We can then use the estimation: \begin{aligned}|b_n|\cdot|a_n-a| + |a|\cdot|b_n - b| For all n>n_0 we have |a_n - a| and |b_n - b|, and - putting everything together - the desired inequality it shown.

\square

'; }], { useMathJax: true, fixed: true, strokeOpacity: 0.6 }); bars.push(newbar(k)); } board.fullUpdate(); })(); /* geometric sequence */ (function() { var board = JXG.JSXGraph.initBoard('jxgbox02', { boundingbox: [-1, 25, 11, -5], axis: false, shownavigation: false, showcopyright: false }); var xaxis = board.create('axis', [ [0, 0], [1, 0] ], { straightFirst: false, highlight: false, drawZero: true, scaleSymbol: 'a', ticks: { drawLabels: false, minorTicks: 0, majorHeight: 15, label: { highlight: false, offset: [0, -15] } } }); var yaxis = board.create('axis', [ [0, 0], [0, 1] ], { straightFirst: false, highlight: false, ticks: { minorTicks: 0, majorHeight: 15, label: { offset: [-15, 0], position: 'lrt', highlight: false } } }); xaxis.defaultTicks.ticksFunction = function() { return 1; }; yaxis.defaultTicks.ticksFunction = function() { return 5; }; var a = .5, q = 3 / 2; var newbar = function(k) { var height = a * Math.pow(q, k - 1); return board.create('polygon', [ [k - 1 / 4, 0], [k + 1 / 4, 0], [k + 1 / 4, height], [k - 1 / 4, height] ], { vertices: { visible: false }, borders: { strokeColor: 'black', strokeOpacity: .6, highlight: false }, fillColor: '#b2caeb', fixed: true, highlight: false }); } var bars = []; for (var i = 0; i < 10; i++) { const k = i + 1; board.create('text', [k - .1, -.6, function() { return 'a_{' + k + '}'; }], { useMathJax: true, fixed: true, strokeOpacity: 0.6 }); bars.push(newbar(k)); } board.fullUpdate(); })(); /* fibonacci sequence */ (function() { var board = JXG.JSXGraph.initBoard('jxgbox03', { boundingbox: [-1, 40, 10, -5], axis: false, shownavigation: false, showcopyright: false }); var xaxis = board.create('axis', [ [0, 0], [1, 0] ], { straightFirst: false, highlight: false, drawZero: true, ticks: { drawLabels: false, minorTicks: 0, majorHeight: 15, label: { highlight: false, offset: [0, -15] } } }); var yaxis = board.create('axis', [ [0, 0], [0, 1] ], { straightFirst: false, highlight: false, ticks: { minorTicks: 0, majorHeight: 15, label: { offset: [-15, 0], position: 'lrt', highlight: false } } }); xaxis.defaultTicks.ticksFunction = function() { return 1; }; yaxis.defaultTicks.ticksFunction = function() { return 5; }; var a_k = [1, 1]; var newbar = function(k) { var y; if (k - 1 > a_k.length - 1) { y = a_k[k - 3] + a_k[k - 2]; a_k.push(y); } else { y = a_k[k - 1]; } return board.create('polygon', [ [k - 1 / 4, 0], [k + 1 / 4, 0], [k + 1 / 4, y], [k - 1 / 4, y] ], { vertices: { visible: false }, borders: { strokeColor: 'black', strokeOpacity: .6, highlight: false }, fillColor: '#b2caeb', fixed: true, highlight: false }); } var bars = []; for (var i = 0; i < 9; i++) { const k = i + 1; board.create('text', [k - .1, -.6, function() { return 'a_{' + k + '}'; }], { useMathJax: true, fixed: true, strokeOpacity: 0.6 }); bars.push(newbar(k)); } board.fullUpdate(); })(); '; }], { useMathJax: true, strokeColor: '#2183de', fontSize: 13, fixed: true, highlight: false }); board.fullUpdate(); })(); '; }], { useMathJax: true, fixed: true, strokeOpacity: 0.6 }); board.create('point', [i, 1 / i], { size: 4, name: '', strokeWidth: .5, strokeColor: 'black', face: 'diamond', fillColor: '#cf4490', fixed: true }); } board.fullUpdate(); })();