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Konvergenz und Grenzwerte von Folgen

Universität / Fachhochschule

Sonstiges

Tags: divergenz, Folgen, Grenzwert, Konvergenz

 
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Lexiii92

Lexiii92 aktiv_icon

13:51 Uhr, 29.04.2015

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Hallooo MathPeople,

ich soll die nachfolgenden Zahlenfolgen (an)n auf Konvergenz bzw. Divergenz untersuchen und ggf. den Grenzwert limnan bestimmen.

Für alle Folgen gilt (n):

a)an:=n2+2jnn2+1

b)an:=2nn2

c)an:=-exp(πjn)

d)an:=-exp(-πjn)

e)an:=n(cosh(1n)-1)

Wir hatten in der Vorlesung nur das Quotientenkriterium. Was ist eigentlich der Unterschied zwischen Reihe und Folge?

Es ist ja die Formel |an+1an|... den Rest verstehe ich nicht wann gilt denn Konvergenz dann?
Wenn sie echt kleiner ist also |an+1an|q<1 dann ist sie absolut konvergent. Wir hatten den Begriff der absoluten Konvergenz gar nicht. Es wird auch nur nach Konvergenz gefragt.

Gilt |an+1an|1 dann ist sie divergent?

Wäre wirklich sehr dankbar für eine Erläuterung!

LG Lexi

Für alle, die mir helfen möchten (automatisch von OnlineMathe generiert):
"Ich möchte die Lösung in Zusammenarbeit mit anderen erstellen."
Hierzu passend bei OnlineMathe:
Grenzwert (Mathematischer Grundbegriff)
Regel von l'Hospital (Mathematischer Grundbegriff)
Wichtige Grenzwerte

Online-Übungen (Übungsaufgaben) bei unterricht.de:
 
Online-Nachhilfe in Mathematik
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ledum

ledum aktiv_icon

15:05 Uhr, 29.04.2015

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Hallo
Reihe= Summe über unendlich viele Summanden,
Folge,: einee menge von geordneten Zahlen, deine an
Konvergenz. zu wissen an gegen 0 für n gegen unendlich. und jedes feste a Brüche mit Potenzen von n: Zähler und Nenner teilen. durch die höchste Potenz für 1
zu 2 was wächst schneller Zähler oder Nenner. du kannst es auch etwa erstmal für n=10,20,100 ausprobieren, dann zeigen.
3),4) was wird aus der Folge im Exponenten
5def von cosh einsetzen, dann wieder Folge im Exponenten ansehen.
das Quotientenkriterium ist für Reihen, aber wenn eine Folge nach unten beschränkt ist und an+1<an dann muss sie konvergieren.
ein paar eigene Gedanken wären schön gewesen.
Gruß ledum
Lexiii92

Lexiii92 aktiv_icon

09:45 Uhr, 02.05.2015

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Ich probiere es mal.

a)|an+1an|=|(n+1)2+2jn+1(n+1)2+1n2+2jnn2+1|=|((n+1)2+2jn+1)(n2+1)((n+1)2+1)(n2+2jn)|

Soweit müsste es stimmen? Jetzt könnte ich ich ausmultiplizieren aber ich weiß dennoch nicht wie weiter vorgehen soll :( ich muss ja zeigen, dass es echt kleiner 1 ist für Konvergenz?

Ich danke,

Lexi
Antwort
DrBoogie

DrBoogie aktiv_icon

09:53 Uhr, 02.05.2015

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Du hast nicht das gemacht, was ledum vorgeschlagen hat.
Du musst im Zähler und im Nenner durch n2 teilen, dann wird's schon einfach.
Lexiii92

Lexiii92 aktiv_icon

09:59 Uhr, 02.05.2015

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Also gar nicht in die (an+1 geteilt durch an)- Formel einsetzen? Der Browser zeigt wieder alles doppelt - dreifach an da ist mir der Sinn bei den Aussagen nicht ganz klar geworden.

Durch n2 teilen:

n2+2jnn2n2+1n2, bekannt ist ja, dass 1n0 für n

Aber kann ich das direkt benutzen?
Antwort
Respon

Respon

11:56 Uhr, 02.05.2015

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"Teile" den Bruch
n2+2jnn2+1=n2+2jnn2n2+1n2=1+2jnn21+1n2
limn1n2=0
Und jn kann nur die Werte +1,-1,j bzw. -j annehmen.
Antwort
Respon

Respon

12:03 Uhr, 02.05.2015

Antworten
Alternative bei e)
n(cosh(1n)-1)=cosh(1n)-11n
L’Hospital anwenden
sinh(1n)(-1n2)-1n2=sinh(1n)
lim bilden.
Lexiii92

Lexiii92 aktiv_icon

12:08 Uhr, 02.05.2015

Antworten
Bei a) steht dann doch 11? Aber ist das auch Nachweis von Konvergenz, wenn ich direkt den Grenzwert bestimme?
Antwort
Respon

Respon

12:10 Uhr, 02.05.2015

Antworten
So ist es.
Lexiii92

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12:17 Uhr, 02.05.2015

Antworten
So wie ich es also verstehe, muss man dann nicht zwingend Konvergenzkriterien verwenden, um Konvergenz zu zeigen? Wieso prüft man nicht direkt immer auf Grenzwerte?

Bei b) geht das aber nicht so leicht mit dem Ausklammern bzw. teilen durch n2? Dann kommt man immer auf das selbe.
Antwort
Respon

Respon

12:19 Uhr, 02.05.2015

Antworten
Es gibt Folgen, bei denen man den Grenzwert nicht so leicht oder überhaupt nicht bestimmen kann. Dann ist es wichtig, vorab die Konvergenz oder Divergenz zu überprüfen.
Deine Beispiele sind aber eher als leicht einzustufen.
Antwort
Respon

Respon

12:22 Uhr, 02.05.2015

Antworten
zu b)
Wie schon oben erwähnt wächst 2n bedeutend stärker als n2. Man kann daher Divergenz vermuten.
Wenn du aber einen "Beweis" machen möchtest, dann z.B. L'Hospital.
Lexiii92

Lexiii92 aktiv_icon

12:32 Uhr, 02.05.2015

Antworten
l'Hospital hat unser Prof erwähnt, aber da am Freitag und davor die Woche war er nicht da, daher vermute ich es kommt noch.

Kann ich dann einfach argumentieren, dass 2n stärker gegen n2 wächst und somit die Folge divergiert?

Bei c) ist es schon knifflig, finde ich πjn geht ja eig gegen Null, aber eingesetzt in die e-Funktion und dann noch daraus die Wurzel. Und der Wert der rauskommt ( der e-Funktion) muss ja eig negativ sein damit es das - vor dem e eliminiert mhm


Antwort
Respon

Respon

12:33 Uhr, 02.05.2015

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Das mit dem "stärker wachsen" ist kein mathematischer Beweis, aber ein gutes Argument.
Antwort
Respon

Respon

12:37 Uhr, 02.05.2015

Antworten
Zu c)
an:=-eπjn
Forme etwas um
-eπjn=(-1)eπjn=-1eπjn=ieπjn
Und nun überlege ( steht aber auch schon weiter oben ), was mit dem Exponenten geschieht.
Lexiii92

Lexiii92 aktiv_icon

12:48 Uhr, 02.05.2015

Antworten
πjn geht gegen Null und e0=1 somit wäre die Wurzel aus 1,1? Dann noch mit dem -j bzw. -i davor?
Antwort
Respon

Respon

12:49 Uhr, 02.05.2015

Antworten
Sollte natürlich j sein.
Der Grenzwert wäre dann hier j.
Lexiii92

Lexiii92 aktiv_icon

13:06 Uhr, 02.05.2015

Antworten
Ja genau, sorry hab i.wie gedacht das - ist noch da.

Bei d) ist's ja das Gleiche bis auf das Minus im Argument vom e, aber das geht genauso gegen j?
Antwort
Respon

Respon

13:08 Uhr, 02.05.2015

Antworten
Und e) steht ja auch schon oben.
Lexiii92

Lexiii92 aktiv_icon

13:13 Uhr, 02.05.2015

Antworten
Und sinh(0) ist ja 0.

Also nochmal um Konvergenz nachzuweisen, kann man einfach den Grenzwert bestimmen? Wenn er existiert?

Antwort
Respon

Respon

13:16 Uhr, 02.05.2015

Antworten
So ist es. Allerdings kann oft für "Prüfungszwecken" ein Konvergenzkriterium zwingend verlangt werden.
Lexiii92

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13:19 Uhr, 02.05.2015

Antworten
Aber wenn es nicht explizit draufsteht, reicht es ja so?
Antwort
Respon

Respon

13:20 Uhr, 02.05.2015

Antworten
Ich würde es so sehen.
Lexiii92

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13:50 Uhr, 02.05.2015

Antworten
Okay kann ich noch 4 weitere Beispiele dazuposten?
Antwort
Respon

Respon

13:51 Uhr, 02.05.2015

Antworten
Zeit hab' ich nicht mehr viel, aber vielleicht reicht's für ein paar Bemerkungen.
Lexiii92

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14:30 Uhr, 02.05.2015

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1)an:=n+3n3n3-n2π+1

2)an:=n5+1n3-17

3)an:=n+nn13+-n23+n53n+n

4)an:=sin(n)n2

4) divergiert da der Sinus beschränkt ist und 1n20 geht

1) geht gegen 3?
Antwort
DrBoogie

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14:32 Uhr, 02.05.2015

Antworten
1) ja

4) falscher Schluss aus der richtigen Argumentation
Lexiii92

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14:38 Uhr, 02.05.2015

Antworten
4) Falscher Schluss? Der Sinus nimmt nur Werte zwischen 1 und -1 an. Besser :-P) ?

Bei den anderen zwei weiß ich nicht wie ich da was vereinfachen soll, der Zählergrad ist auf jedenfalls höher als der Nennergrad.
Antwort
DrBoogie

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15:42 Uhr, 02.05.2015

Antworten
sin(n)n2 ist konvergent (gegen 0), weil sin(n) beschränkt und 1n20. Konvergent, nicht divergent


"der Zählergrad ist auf jedenfalls höher als der Nennergrad"

Das bedeutet Divergenz.
Lexiii92

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19:44 Uhr, 02.05.2015

Antworten
Dann ist 2) und 3) divergent?


Antwort
DrBoogie

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00:59 Uhr, 03.05.2015

Antworten
Ja, divergent

Lexiii92

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09:08 Uhr, 03.05.2015

Antworten
Okay danke ich grüble noch an weiteren Beispielen. Gleiche Aufgabenstellung auf Konvergenz prüfen und ggf. Grenzwert bestimmen.

1.1)an:=(n+2)n-1nn

1.2)an:=(1-πjn)2n

1.3)an:=(1-jn+12n)2n

1.4)an:=n2+n-n

Also meine Vermutungen sind, dass 1.1 konvergiert da der Zählergrad kleiner als der Nennergrad ist?

Bei 1.2) würde ich sagen -πjn geht gegen Null für n aber manchmal kann an sich echt irren.
Ich würde sagen es divergiert, aber es hängt ja in einer binomischen Formel zusammen daher bin ich unsicher.

Gleiches Problem bei 1.3.

Bei 1.4) würde ich so argumentieren, dass es immer wächst für n also divergiert?

Danke Euch!

Lexi
Antwort
Respon

Respon

09:18 Uhr, 03.05.2015

Antworten
Vorsicht bei 1.4
Wir kommen hier zur "unbestimmten Form" -.
( Der lim wäre übrigens 12)
Antwort
DrBoogie

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09:20 Uhr, 03.05.2015

Antworten
Bei 1) liegst Du richtig, aber es ist eine bessere Argumentation nötig.
Z.B. so: (n+2)n-1nn=(n+2)n-1nn-11n=(1+2n)n-11n0, weil (1+2n)n-1e2 und 1n0.

In 2) und 3) brauchst Du wieder diesen Grenzwert: (1+xn)nex.

In 4) kannst Du das nutzen: n2+n-n=(n2+n-n)(n2+n+n)n2+n+n=nn2+n+n0.5

Lexiii92

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09:22 Uhr, 03.05.2015

Antworten
Das meinte ich mit manchmal ist's mit Vorsicht zu genießen. Wie kommt man auf den Grenzwert 12? Die Wurzel hat ja den Exponenten 12 mhm.

Sind meine anderen überlegen korrekt?

Ich danke!

Lexi
Lexiii92

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09:26 Uhr, 03.05.2015

Antworten
Ah okay danke!

(1+xn)nex?

Okay das es diese Form annimmt bei der 1.2,1.3 sehe ich also (1+xn)n

Wie ich es jedoch ausnutzen soll? Es konvergiert doch nicht?

ex0 für x-

Für +?

Mh

Lexi
Antwort
DrBoogie

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09:31 Uhr, 03.05.2015

Antworten
Lass Dir doch etwas Zeit, Du bist zu schnell und zu chaotisch. Denke gründlich nach.
In 2) und 3) hast Du Konvergenz und kannst den Grenzwert direkt berechnen.
Lexiii92

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09:36 Uhr, 03.05.2015

Antworten
Ah bei 1.2)

ejπ=-1

Bei 1.3) mhm schwer ich weiß nicht.

Lexi
Antwort
DrBoogie

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09:43 Uhr, 03.05.2015

Antworten
1.2 falsch

Bei 1.3 habe ich mich verkuckt, sorry, da geht es nicht über die Exponente, da divergiert es wirklich. Du kannst einfach zeigen, dass 1-jn+12n1.1 ist (statt 1.1 kann man auch andere Zahlen >1 nehmen) für alle große n, damit ist es divergent.

UPDATE. >1 und nicht >0 natürlich
Lexiii92

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10:54 Uhr, 03.05.2015

Antworten
Ich hab das 2n nicht miteinbezogen. Aber es ging doch in die richtige Richtung?

Obwohl wenn man sich das aufbröselt:

1.2) Für n0

(1-jπ0)20=1

Für n±

(1-jπ)2=1 (da ja jπ gegen Null geht haben wir quasi 1

(Die laxe Schreibweise bitte nicht übel nehmen)

Aber ich verstehe dann nicht was es mit dem (1-xn)n=ex auf sich hat.

1.3)

größer 1? Da komme ich nicht mit :( Wieso divergiert es wenn der Betrag größer 1 ist?

Lexi
Antwort
Respon

Respon

11:09 Uhr, 03.05.2015

Antworten
an:=(1-πjn)2n
Forme um:
(1-πjn)2n=[(1+(-πj)n)n]2
Der Term in der eckigen Klammer ( vergleiche mit (1+xn)nex) geht gegen e-πj=-1

lim ist (-1)2=1
Antwort
DrBoogie

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11:11 Uhr, 03.05.2015

Antworten
"Die laxe Schreibweise bitte nicht übel nehmen"

Wenn die Ideen richtig wären, wäre die Schreibweise egal.
Aber wenn Du n0 schreibst. :-O
Wie kann denn n0 funktionieren? n sind natürliche Zahlen.
Antwort
DrBoogie

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11:15 Uhr, 03.05.2015

Antworten
Wenn Du (an)n hast mit an1.1, dann gilt ann1.1n, damit ist ann divergent.

Im Deinem Fall gilt 1+jn+12n=1+(n+1)24n2=1+(1+1n)241+14>1.1, daher 1+jn+12n1.1 für alle genug große n.
Lexiii92

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11:40 Uhr, 03.05.2015

Antworten
Ich meines bei 1.2)

geht doch für n0 der Ausdruck gegen 1, wie auch für n±00 geht es gegen 1? Wie soll ich denn argumentieren, außer so wie Respon es genialerweise argumentiert hat?

Ich verstehe nicht wie:
1+(n+1)24n2=1+(1+1n)24

Wie geht denn das n2 im Nenner weg? Im Zähler wurde doch n ausgeklammert? Im Nenner fehlt dann doch ein n ?

Ich kann noch nicht ganz den ganzen Sachverhalt verstehen.

Lexi
Antwort
Respon

Respon

11:47 Uhr, 03.05.2015

Antworten
Anmerkung zu 1.3.
In der runden Klammer steht - jeweils in Abhängigkeit von n- eine komplexe Zahl.
Ist dir klar, warum bei diesem Beispiel der Betrag dieser komplexen Zahl eine wichtige Rolle spielt ?
Lexiii92

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12:00 Uhr, 03.05.2015

Antworten
" In der runden Klammer steht - jeweils in Abhängigkeit von n− eine komplexe Zahl.
Ist dir klar, warum bei diesem Beispiel der Betrag dieser komplexen Zahl eine wichtige Rolle spielt ?"

In der runden Klammern im Zähler?

Ich werde nicht herumreden, nein mir ist leider nicht klar wieso der Betrag dieser komplexen Zahl eine wichtige Rolle spielt.

Ich kenne den Betrag |z|=x2+y2 einer komplexen Zahl.

Lexi
Antwort
Respon

Respon

12:14 Uhr, 03.05.2015

Antworten
Ich habe die ursprüngliche Angabe gemeint.
an:=(1-jn+12n)2n
In der Klammer steht eine komplexe Zahl und läßt sich daher auch in der Form schreiben:
1-jn+12n=|1-jn+12n|(cos(φ)+isin(φ))
φ ist das Argument der komplexen Zahl und hier nicht wirklich von Bedeutung.
Also
(1-jn+12n)2n=[|1-jn+12n|(cos(φ)+isin(φ))]2n=[|1-jn+12n|2n(cos(2nφ)+isin(2nφ))]
cos und sin sind beschränkt und nicht weiter interessant.
Der Betrag ist aber - siehe oben - jeweils ganz sicher >1
Zurückgreifen auf "gesichertes Wissen" :limnan, falls a>1
Der Betrag geht gegen Divergenz.
Lexiii92

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12:29 Uhr, 03.05.2015

Antworten
Ja die erste Lösung zur 1.2) ist mir ersichtlich. Jetzt mit der anderen Form des Kosinus und Sinus, verstehe ich nicht was mir das bringen soll.

Wieso ist 1+(n+1)24n2=1+(1+1n)24?
Antwort
Respon

Respon

12:39 Uhr, 03.05.2015

Antworten
1.3.

|1-jn+12n|=12+(n+12n)2=1+(12+12n)2
Da (12+12n)2>12 Betrag sicher >1

Lexiii92

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12:54 Uhr, 03.05.2015

Antworten
Ich sitze davor wie vor einer Wand und ich finde dort nichts als weiße Farbe :(

(12+12n)2>12 das ist mir noch halbwegs ersichtlich, aber was sagt mir das?

Ich wäre super dankbar wenn du mir den anderen Schritt erklären könntest, nachdem ich schon so lange bettele...
Antwort
Respon

Respon

12:57 Uhr, 03.05.2015

Antworten
Da der Betrag nun sicher >1 ist und wir den Betrag noch mit 2n potenzieren müssen, geht das Ganze sicher .
D.h. bei der Folge der komplexen Zahlen gehen die Beträge , Divergenz.
Lexiii92

Lexiii92 aktiv_icon

13:05 Uhr, 03.05.2015

Antworten
Okay, ich glaube ich habe es verstanden.

:-D) :-D) :-D)
1+(n+1)24n2=1+(1+1n)24

Wieso stimmt das? Ich muss mir bald eine Perücke kaufen, so viele Haare liegen auf meinem Schreibtisch ^^^
Antwort
Respon

Respon

13:20 Uhr, 03.05.2015

Antworten
Also wenn du nur diese Umformung meinst:
1+(n+1)24n2=1+14(n+1)2n2=1+14(n+1n)2=1+14(1+1n)2=1+(1+1n)24
Und da der zweite Summan immer >14 ist, ist der ganze Betrag sicher >1.

Lexiii92

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13:33 Uhr, 03.05.2015

Antworten
Ahso, deswegen, okay diese Magie der Mathematik verzaubert mich immer wieder auf's Neue.

Ich danke recht herzlich! Es ist wirklich was Tolles was Ihr leistet! Großes Lob!

Bis dann,

Lexi
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