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Tema 2 - Sucesiones de números reales

Introducción

Una sucesión de números reales es una función que asigna a cada número natural un número real. Formalmente:

f:N→R,  n↦f(n)=xnf: \mathbb{N} \to \mathbb{R}, \; n \mapsto f(n) = x_n

Esto se denota habitualmente como {xn}\{x_n\} o {x1,x2,x3,… }\{x_1, x_2, x_3, \dots\}, donde xnx_n representa el término enésimo de la sucesión. Los términos son los valores generados por la función para cada n∈Nn \in \mathbb{N}.

Ejemplos de sucesiones

  1. {1n}={1,12,13,… }\{\frac{1}{n}\} = \{1, \frac{1}{2}, \frac{1}{3}, \dots\}
  2. {(−1)n}={−1,1,−1,1,… }\{(-1)^n\} = \{-1, 1, -1, 1, \dots\}
  3. {n2}={1,4,9,16,… }\{n^2\} = \{1, 4, 9, 16, \dots\}
  4. La sucesión de números primos {pn}={2,3,5,7,11,… }\{p_n\} = \{2, 3, 5, 7, 11, \dots\}.

No todas las sucesiones tienen una fórmula explícita, como ocurre con los números primos, pero aún pueden ser útiles y estudiadas.


Límite de una sucesión

Definición

Se dice que una sucesión {xn}\{x_n\} converge a un valor x∈Rx \in \mathbb{R} si, para cualquier ε>0\varepsilon > 0, existe un índice natural n0∈Nn_0 \in \mathbb{N} tal que para todos n≥n0n \geq n_0:

∣xn−x∣<ε|x_n - x| < \varepsilon

Esto se denota como lim⁡n→∞xn=x\lim_{n \to \infty} x_n = x o {xn}→x\{x_n\} \to x. Intuitivamente, esto significa que los términos de la sucesión se acercan arbitrariamente al valor xx conforme nn crece.

Si {xn}\{x_n\} tiene un límite, se dice que es convergente; de lo contrario, es divergente.

Propiedades

  1. Si {xn}→x\{x_n\} \to x, entonces {xn−x}→0\{x_n - x\} \to 0.
  2. Si {xn}→0\{x_n\} \to 0, entonces {∣xn∣}→0\{|x_n|\} \to 0.
  3. Si {xn}\{x_n\} es convergente, cualquier subsucesión {xnk}\{x_{n_k}\} también converge al mismo límite.

Teorema de unicidad del límite

El límite de una sucesión, si existe, es único. Es decir, si {xn}→x\{x_n\} \to x y {xn}→y\{x_n\} \to y, entonces x=yx = y.


Acotación de sucesiones

Definiciones

  1. Acotación superior: {xn}\{x_n\} está acotada superiormente si existe K∈RK \in \mathbb{R} tal que: xn≤K,  ∀n∈Nx_n \leq K, \; \forall n \in \mathbb{N}
  2. Acotación inferior: {xn}\{x_n\} está acotada inferiormente si existe k∈Rk \in \mathbb{R} tal que: xn≥k,  ∀n∈Nx_n \geq k, \; \forall n \in \mathbb{N}
  3. Acotada: {xn}\{x_n\} está acotada si existe k,K∈Rk, K \in \mathbb{R} tales que: k≤xn≤K,  ∀n∈Nk \leq x_n \leq K, \; \forall n \in \mathbb{N}

Teorema

Toda sucesión convergente está acotada. Sin embargo, no todas las sucesiones acotadas son convergentes. Por ejemplo, {(−1)n}\{(-1)^n\} es acotada pero no convergente.


Operaciones con límites

Si {xn}→x\{x_n\} \to x y {yn}→y\{y_n\} \to y, entonces:

  1. {xn+yn}→x+y\{x_n + y_n\} \to x + y.
  2. {xn⋅yn}→x⋅y\{x_n \cdot y_n\} \to x \cdot y.
  3. Si y≠0y \neq 0, {xn/yn}→x/y\{x_n / y_n\} \to x / y.
  4. (Regla del sandwich) Si xn≤zn≤ynx_n \leq z_n \leq y_n y {xn},{yn}→l\{x_n\}, \{y_n\} \to l, entonces {zn}→l\{z_n\} \to l.

Sucesiones especiales

El número ee

La sucesión:

xn=(1+1n)nx_n = \left(1 + \frac{1}{n}\right)^n

Es monótona creciente y acotada, por lo que converge al número ee:

e=lim⁡n→∞(1+1n)n≈2.718e = \lim_{n \to \infty} \left(1 + \frac{1}{n}\right)^n \approx 2.718

Sucesiones recurrentes

Una sucesión {xn}\{x_n\} es recurrente si cada término se define en función de los anteriores. Por ejemplo, una sucesión de orden pp cumple:

xn+p=g(xn,xn+1,…,xn+p−1),  n≥1x_{n+p} = g(x_n, x_{n+1}, \dots, x_{n+p-1}), \; n \geq 1

Para determinar sus términos, se necesitan pp valores iniciales. Muchas técnicas numéricas emplean sucesiones recurrentes para aproximar soluciones.

Ejemplo

Demostrar que la sucesión definida como:

x1=2,  xn+1=2+xnx_1 = 2, \; x_{n+1} = \sqrt{2 + x_n}

Es convergente y calcular su límite.