Kurs:Grundkurs Mathematik (Osnabrück 2022-2023)/Teil II/Vorlesung 44/latex

\setcounter{section}{44}






\zwischenueberschrift{Beispiele für Folgen}




\inputdefinition
{}
{

Eine \definitionsverweis {Folge}{}{}
\mathl{{ \left( x_n \right) }_{n \in \N }}{} in einem \definitionsverweis {angeordneten Körper}{}{,} die gegen $0$ \definitionsverweis {konvergiert}{}{,} heißt \definitionswort {Nullfolge}{.}

}






\bild{ \begin{center}
\includegraphics[width=5.5cm]{\bildeinlesung {Cauchy_sequence_-_example.png} }
\end{center}
\bildtext {} }

\bildlizenz { Cauchy sequence - example.png } {} {Pred} {da.wikipedia} {CC-by-sa 2.5} {}




\inputbeispiel{}
{

Eine \stichwort {konstante Folge} {}
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{x_n }
{ = }{ c }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ist stets \definitionsverweis {konvergent}{}{} mit dem \definitionsverweis {Grenzwert}{}{} $c$. Dies folgt direkt daraus, dass man für jedes
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \epsilon }
{ > }{ 0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} als Aufwandszahl
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{n_0 }
{ = }{ 0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} nehmen kann. Es ist ja
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \betrag { x_n-c } }
{ =} { \betrag { c-c } }
{ =} { \betrag { 0 } }
{ =} { 0 }
{ <} {\epsilon }
} {}{}{} für alle $n$.


}




\inputbeispiel{}
{

Es sei $K$ ein \definitionsverweis {archimedisch angeordneter Körper}{}{.} Dann ist die Folge
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ x_n }
{ =} { { \frac{ 1 }{ n } } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} \definitionsverweis {konvergent}{}{} mit dem \definitionsverweis {Grenzwert}{}{} $0$. Es sei dazu ein beliebiges
\mathbed {\epsilon \in K} {}
{\epsilon >0} {}
{} {} {} {,} vorgegeben. Aufgrund des Archimedes Axioms \zusatzklammer {siehe Lemma 25.8} {} {} gibt es ein $n_0$ mit
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ { \frac{ 1 }{ n_0 } } }
{ \leq} { \epsilon }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} Damit gilt für alle
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{n }
{ \geq }{ n_0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} die Abschätzung
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ x_n }
{ =} { { \frac{ 1 }{ n } } }
{ \leq} { { \frac{ 1 }{ n_0 } } }
{ \leq} { \epsilon }
{ } {}
} {}{}{.}


}




\inputbeispiel{}
{

Wir betrachten die Folge mit den Folgengliedern
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{x_n }
{ =} { { \frac{ 7n }{ 2^n } } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} in $\Q$. Die Anfangsglieder sind
\mathdisp {0 ,\, { \frac{ 7 }{ 2 } } ,\, { \frac{ 7 }{ 2 } } ,\, { \frac{ 21 }{ 8 } } ,\, { \frac{ 7 }{ 4 } } ,\, { \frac{ 35 }{ 32 } } ,\, { \frac{ 21 }{ 32 } } ,\, { \frac{ 49 }{ 128 } } ,\, { \frac{ 7 }{ 32 } } \ldots} { . }
In der Tat ist dies eine \definitionsverweis {Nullfolge}{}{.} Nach Satz 27.12 gibt es nämlich ein $m$ derart, dass
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{2^n }
{ \geq} { n^2 }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} für alle
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{n }
{ \geq }{m }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} gilt. Für diese $n$ ist somit
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ { \frac{ 7n }{ 2^n } } }
{ \leq} { { \frac{ 7n }{ n^2 } } }
{ =} { { \frac{ 7 }{ n } } }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} Zu einem vorgegebenen
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{\epsilon }
{ > }{0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} kann man zusätzlich noch
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ n }
{ \geq }{ { \frac{ 7 }{ \epsilon } } }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} erreichen, daher ist dies kleinergleich $\epsilon$.


}






\inputbemerkung
{}
{

Eine \definitionsverweis {Dezimalbruchfolge}{}{} in einem \definitionsverweis {angeordneten Körper}{}{} ist eine Folge der Form
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{x_n }
{ =} { { \frac{ a_n }{ 10^n } } }
{ =} { \sum_{i = 0}^n z_{-i} 10^{-i} }
{ =} { z_0,z_{-1} z_{-2} z_{-3} \ldots z_{-n} }
{ } { }
} {}{}{} mit
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ a_n }
{ \in }{ \Z }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} \zusatzklammer {bzw. mit Ziffern
\mavergleichskettek
{\vergleichskettek
{ z_{-i} }
{ \in }{ \{0,1 , \ldots , 9\} }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{}} {} {} und mit
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ { \frac{ a_n }{ 10^n } } }
{ \leq} { { \frac{ a_{n+1} }{ 10^{n+1} } } }
{ <} { { \frac{ a_n+1 }{ 10^n } } }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} Eine solche Folge, also eine \anfuehrung{Kommazahl}{,} muss im Allgemeinen nicht \definitionsverweis {konvergieren}{}{.} Wenn wir mit zwei positiven ganzen Zahlen
\mathl{a,b}{} starten und den \definitionsverweis {Divisionsalgorithmus}{}{}
\mathl{a:b}{} durchführen, um die Ziffern
\mathl{z_{-i}}{} zu erhalten, so konvergiert nach Korollar 28.11 die zugehörige Dezimalbruchfolge
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{x_n }
{ =} { \sum_{i = 0}^n z_{-i} 10^{-i} }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} gegen die rationale Zahl
\mathl{{ \frac{ a }{ b } }}{.}

}





\inputfaktbeweis
{Angeordneter Körper/Folge/Eindeutiger Limes/Fakt}
{Lemma}
{}
{

\faktsituation {Es sei $K$ ein \definitionsverweis {angeordneter Körper}{}{} und sei
\mathl{{ \left( x_n \right) }_{n \in \N }}{} eine \definitionsverweis {Folge}{}{} in $K$.}
\faktfolgerung {Dann besitzt $x_n$ maximal einen Grenzwert.}
\faktzusatz {}
\faktzusatz {}

}
{

 Nehmen wir an, dass es zwei verschiedene Grenzwerte
\mathbed {x,y} {}
{x \neq y} {}
{} {} {} {,} gibt. Dann ist
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{d }
{ \defeq }{ \betrag { x-y } }
{ > }{0 }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Wir betrachten
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \epsilon }
{ \defeq }{ d/3 }
{ > }{ 0 }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Wegen der Konvergenz gegen $x$ gibt es ein $n_0$ mit
\mathdisp {\betrag { x_n-x } \leq \epsilon \text{ für } \text{alle } n \geq n_0} { }
und wegen der Konvergenz gegen $y$ gibt es ein $n_0'$ mit
\mathdisp {\betrag { x_n-y } \leq \epsilon \text{ für } \text{alle } n \geq n_0'} { . }
Beide Bedingungen gelten dann gleichermaßen für
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{n }
{ \geq }{\max\{n_0,n_0'\} }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Es sei $n$ mindestens so groß wie dieses Maximum. Dann ergibt sich aufgrund der Dreiecksungleichung der Widerspruch
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{d }
{ =} { \betrag { x-y } }
{ \leq} { \betrag { x-x_n } + \betrag { x_n-y } }
{ \leq} { \epsilon+ \epsilon }
{ =} { 2 d/3 }
} {}{}{.}

}





\inputdefinition
{}
{

Es sei $K$ ein \definitionsverweis {angeordneter Körper}{}{} und sei
\mathl{{ \left( x_n \right) }_{n \in \N }}{} eine \definitionsverweis {Folge}{}{} in $K$. Die Folge $x_n$ heißt \definitionswort {beschränkt}{,} wenn es ein Element
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ B }
{ \in }{ K }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} mit
\mathdisp {\betrag { x_n } \leq B \text { für alle } n \in \N} { }
gibt.

}






\zwischenueberschrift{Rechenregeln für Folgen}





\inputfaktbeweis
{Angeordneter Körper/Konvergente Folge/Beschränkt/Fakt}
{Lemma}
{}
{

\faktsituation {Es sei $K$ ein \definitionsverweis {angeordneter Körper}{}{.}}
\faktvoraussetzung {Wenn eine \definitionsverweis {Folge}{}{} in $K$ \definitionsverweis {konvergent}{}{} ist,}
\faktfolgerung {so ist sie auch \definitionsverweis {beschränkt}{}{.}}
\faktzusatz {}
\faktzusatz {}

}
{

Es sei
\mathl{{ \left( x_n \right) }_{n \in \N }}{} die konvergente Folge mit dem Limes
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{x }
{ \in }{K }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} und es sei ein
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \epsilon }
{ > }{0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} gewählt. Aufgrund der Konvergenz gibt es ein $n_0$ derart, dass
\mathdisp {\betrag { x_n-x } \leq \epsilon \text { für alle } n \geq n_0} { . }
Dann ist insbesondere
\mathdisp {\betrag { x_n } \leq \betrag { x } + \betrag { x-x_n } \leq \betrag { x } +\epsilon \text { für alle } n \geq n_0} { . }
Unterhalb von $n_0$ gibt es nur endlich viele Zahlen, sodass das Maximum
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{B }
{ \defeq} { \max_{n <n_0}\{ \betrag { x_n } ,\, \betrag { x } + \epsilon \} }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} wohldefiniert ist. Daher ist $B$ eine obere Schranke und $- B$ eine untere Schranke für
\mathl{{ \left\{ x_n \mid n \in \N \right\} }}{.}

}





\inputbeispiel{}
{

Es sei $K$ ein \definitionsverweis {angeordneter Körper}{}{.} Dann ist die \stichwort {alternierende Folge} {}
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{x_n }
{ =} {(-1)^n }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} \definitionsverweis {beschränkt}{}{,} aber nicht \definitionsverweis {konvergent}{}{.} Die Beschränktheit ist klar, da ja nur die beiden Werte \mathkor {} {1} {und} {-1} {} vorkommen. Konvergenz liegt aber nicht vor. Nehmen wir an, dass
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ x }
{ \geq }{ 0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} der Grenzwert sei. Dann gilt für positives
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \epsilon }
{ < }{ 1 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} und jedes ungerade $n$ die Beziehung
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \betrag { x_n-x } }
{ =} {1+x }
{ \geq} {1 }
{ >} {\epsilon }
{ } { }
} {}{}{,} sodass es Folgenwerte außerhalb dieser $\epsilon$-Umgebung gibt. Analog kann man einen negativ angenommen Grenzwert zum Widerspruch führen.


}





\inputfaktbeweis
{Angeordneter Körper/Beschränkte Folge/Nullfolge/Produkt/Fakt}
{Lemma}
{}
{

\faktsituation {Es sei $K$ ein \definitionsverweis {angeordneter Körper}{}{.} Es sei
\mathl{{ \left( x_n \right) }_{n \in \N }}{} eine \definitionsverweis {Nullfolge}{}{} und
\mathl{{ \left( y_n \right) }_{n \in \N }}{} eine \definitionsverweis {beschränkte}{}{} Folge in $K$.}
\faktfolgerung {Dann ist auch das Produkt der beiden Folgen eine Nullfolge.}
\faktzusatz {}
\faktzusatz {}

}
{

Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ B }
{ > }{ 0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine Schranke für
\mathl{{ \left( y_n \right) }_{n \in \N }}{} und sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \epsilon }
{ > }{ 0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} vorgegeben. Da
\mathl{{ \left( x_n \right) }_{n \in \N }}{} eine Nullfolge ist, gibt es zu
\mathl{{ \frac{ \epsilon }{ B } }}{} ein $n_0$ derart, dass für
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{n }
{ \geq }{n_0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} die Abschätzung
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \betrag { x_n } }
{ \leq }{ { \frac{ \epsilon }{ B } } }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} gilt. Für diese Indizes ist dann auch
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \betrag { x_n y_n } }
{ =} { \betrag { x_n } \cdot \betrag { y_n } }
{ \leq} { { \frac{ \epsilon }{ B } } \cdot B }
{ =} { \epsilon }
{ } { }
} {}{}{.}

}


Wie bei einer Dezimalbruchfolge, die man ja \zusatzklammer {mit den Ziffern $z_{-i}$} {} {} als
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ x_n }
{ =} { \sum_{i = 0}^n z_{-i} 10^{-i} }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} schreiben kann, wird eine Folge oft als eine Summe in der Form
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ x_n }
{ =} { \sum_{i = 0}^n u_i }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} gegeben. Die Folgenglieder sind also die Teilsummen, die sich aus den einzelnen Summanden ergeben. Solche Folgen nennt man auch \stichwort {Reihen} {} und die $u_i$ nennt man die Reihenglieder. Wir betonen, dass sich alle Folgeneigenschaften auf die Folgenglieder beziehen. Man schreibt für solche Reihen auch kurz
\mathl{\sum_{n = 0}^\infty u_n}{.}




\bild{ \begin{center}
\includegraphics[width=5.5cm]{\bildeinlesung {Oresme-Nicole.jpg} }
\end{center}
\bildtext {Nikolaus von Oresme (1330-1382) bewies, dass die harmonische Reihe divergiert.} }

\bildlizenz { Oresme-Nicole.jpg } {} {Leinad-Z} {Commons} {PD} {}

Die sogenannte \stichwort {harmonische Reihe} {} ist nicht beschränkt und konvergiert nicht.


\inputbeispiel{}
{

Die \definitionswort {harmonische Reihe}{} ist die Reihe
\mathdisp {\sum^\infty_{k = 1} { \frac{ 1 }{ k } }} { . }
Es geht also um die \anfuehrung{unendliche Summe}{} der Stammbrüche
\mathdisp {1 + { \frac{ 1 }{ 2 } } + { \frac{ 1 }{ 3 } } + { \frac{ 1 }{ 4 } } + { \frac{ 1 }{ 5 } } + { \frac{ 1 }{ 6 } } + { \frac{ 1 }{ 7 } } + { \frac{ 1 }{ 8 } } + \ldots} { . }
Diese Reihe divergiert: Für die $2^{n}$ Zahlen
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ k }
{ = }{ 2^n +1 , \ldots , 2^{n+1} }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \sum_{k = 2^n+1}^{ 2^{n+1} } \frac{1}{k} }
{ \geq} { \sum_{k = 2^n+1}^{ 2^{n+1} } \frac{1}{2^{n+1} } }
{ =} { 2^n \frac{1}{2^{n+1} } }
{ =} { \frac{1}{2} }
{ } { }
} {}{}{.} Daher ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \sum_{k = 1}^{ 2^{n+1} } \frac{1}{k} }
{ =} {1+ \sum_{i = 0}^n \left( \sum_{k = 2^{i} +1 }^{ 2^{i+1} } \frac{1}{k} \right)}
{ } { }
{ \geq} {1 + (n+1) \frac{1}{2} }
{ } { }
} {}{}{.} Damit ist die Folge der Partialsummen \definitionsverweis {unbeschränkt}{}{} und kann nach Lemma 44.8 nicht \definitionsverweis {konvergent}{}{} sein.


}






\bild{ \begin{center}
\includegraphics[width=5.5cm]{\bildeinlesung {Harmonischebrueckerp.jpg} }
\end{center}
\bildtext {Aus der Divergenz der harmonischen Reihe folgt, dass man einen beliebig weiten Überhang mit gleichförmigen Bauklötzen bauen kann.} }

\bildlizenz { Harmonischebrueckerp.jpg } {} {Anton} {de Wikipedia} {CC-by-sa 2.5} {}





\inputfaktbeweis
{Angeordneter Körper/Konvergente Folgen/Rechenregeln/Fakt}
{Lemma}
{}
{

\faktsituation {Es sei $K$ ein \definitionsverweis {angeordneter Körper}{}{} und es seien \mathkor {} {{ \left( x_n \right) }_{n \in \N }} {und} {{ \left( y_n \right) }_{n \in \N }} {} \definitionsverweis {konvergente Folgen}{}{} in $K$.}
\faktuebergang {Dann gelten folgende Aussagen.}
\faktfolgerung {\aufzaehlungfuenf{Die Folge
\mathl{{ \left( x_n+y_n \right) }_{ n \in \N }}{} ist konvergent und es gilt
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \lim_{n \rightarrow \infty} { \left( x_n+ y_n \right) } }
{ =} { { \left( \lim_{n \rightarrow \infty} x_n \right) } + { \left( \lim_{n \rightarrow \infty} y_n \right) } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} }{Die Folge
\mathl{{ \left( x_n \cdot y_n \right) }_{ n \in \N }}{} ist konvergent und es gilt
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \lim_{n \rightarrow \infty} { \left( x_n \cdot y_n \right) } }
{ =} { { \left( \lim_{n \rightarrow \infty} x_n \right) } \cdot { \left( \lim_{n \rightarrow \infty} y_n \right) } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} }{Für
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{c }
{ \in }{K }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} gilt
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \lim_{n \rightarrow \infty} cx_n }
{ =} { c { \left( \lim_{n \rightarrow \infty} x_n \right) } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} }{Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \lim_{n \rightarrow \infty} x_n }
{ = }{ x }
{ \neq }{ 0 }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} und
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{x_n }
{ \neq }{0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} für alle
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{n }
{ \in }{ \N }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Dann ist
\mathl{{ \left( { \frac{ 1 }{ x_n } } \right) }_{ n \in \N }}{} ebenfalls konvergent mit
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \lim_{n \rightarrow \infty} { \frac{ 1 }{ x_n } } }
{ =} { { \frac{ 1 }{ x } } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} }{Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \lim_{n \rightarrow \infty} x_n }
{ = }{ x }
{ \neq }{ 0 }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} und
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{x_n }
{ \neq }{0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} für alle
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{n }
{ \in }{ \N }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Dann ist
\mathl{{ \left( { \frac{ y_n }{ x_n } } \right) }_{ n \in \N }}{} ebenfalls konvergent mit
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \lim_{n \rightarrow \infty} { \frac{ y_n }{ x_n } } }
{ =} { { \frac{ \lim_{n \rightarrow \infty} y_n }{ x } } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} }}
\faktzusatz {}
\faktzusatz {}

}
{

\teilbeweis {}{}{}
{(2). Sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \epsilon }
{ > }{0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} vorgegeben. Die konvergente Folge
\mathl{{ \left( x_n \right) }_{n \in \N }}{} ist nach Lemma 44.8 insbesondere \definitionsverweis {beschränkt}{}{} und daher existiert ein
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{D }
{ > }{0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} mit
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \betrag { x_n } }
{ \leq }{ D }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} für alle
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{n }
{ \in }{ \N }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Sei \mathkor {} {x \defeq \lim_{n \rightarrow \infty} x_n} {und} {y \defeq \lim_{n \rightarrow \infty} y_n} {.} Wir setzen
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{C }
{ \defeq }{\max \{D, \betrag { y } \} }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Aufgrund der Konvergenz gibt es natürliche Zahlen \mathkor {} {N_1} {und} {N_2} {} mit
\mathdisp {\betrag { x_n -x } \leq \frac{\epsilon}{2C} \text{ für } n \geq N_1 \text{ und } \betrag { y_n -y } \leq \frac{\epsilon}{2C} \text{ für } n \geq N_2} { . }
Diese Abschätzungen gelten dann auch für alle
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{n }
{ \geq }{N }
{ \defeq }{ \max\{N_1,N_2\} }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Für diese Zahlen gilt daher
\mavergleichskettealign
{\vergleichskettealign
{ \betrag { x_ny_n -xy } }
{ =} { \betrag { x_ny_n-x_ny+x_n y-xy } }
{ \leq} {\betrag { x_ny_n-x_ny } + \betrag { x_ny-xy } }
{ =} { \betrag { x_n } \betrag { y_n-y } + \betrag { y } \betrag { x_n-x } }
{ \leq} {C \frac{ \epsilon}{2C} + C \frac{ \epsilon}{2C} }
} {
\vergleichskettefortsetzungalign
{ =} {\epsilon }
{ } {}
{ } {}
{ } {}
} {}{.}}
{} \teilbeweis {}{}{}
{(4). Da der Limes der Folge
\mathl{{ \left( x_n \right) }_{n \in \N }}{} nicht $0$ ist, gilt für
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{n }
{ \geq }{N_1 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} die Bedingung
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \betrag { x_n } }
{ \geq }{ { \frac{ \betrag { x } }{ 2 } } }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} und damit
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \frac{1}{ \betrag { x_n } } }
{ \leq} { \frac{2}{ \betrag { x } } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \epsilon }
{ > }{0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} vorgegeben. Wegen der Konvergenz von
\mathl{{ \left( x_n \right) }_{n \in \N }}{} gibt es ein $N_2$ mit
\mathdisp {\betrag { x_n-x } \leq \frac{\epsilon \betrag { x }^2}{2} \text { für alle } n \geq N_2} { . }
Dann gilt für alle
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{n }
{ \geq }{N }
{ \defeq }{ \max \{N_1, N_2\} }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} die Abschätzung
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \betrag { \frac{1}{x_n} - \frac{1}{x} } }
{ =} { \betrag { \frac{x_n-x}{x x_n} } }
{ =} { \frac{1}{\betrag { x } \betrag { x_n }} \betrag { x_n-x } }
{ \leq} { \frac{2}{\betrag { x }^2} \cdot \frac{ \epsilon \betrag { x }^2}{2} }
{ =} { \epsilon }
} {}{}{.}}
{}

}


Die im vorstehenden Satz auftretenden Folgen nennt man die Summenfolge, die Produktfolge bzw. die Quotientenfolge. Sie sind jeweils gliedweise definiert.




\inputbeispiel{}
{

Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{r }
{ \leq }{s }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Bei einer Folge der Form
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ x_n }
{ =} { { \frac{ a_r n^r + a_{r-1} n^{r-1} + \cdots + a_2n^2 + a_1n+a_0 }{ b_s n^s + b_{s-1} n^{s-1} + \cdots + b_2n^2 + b_1n+b_0 } } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} mit
\mathl{a_i,b_j}{} in einem \definitionsverweis {archimedisch angeordneten Körper}{}{} und
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ a_r,b_s }
{ \neq }{ 0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} kann man durch einen einfachen Standardtrick den Grenzwert bestimmen. Man multipliziert Zähler und Nenner mit $n^{-s}$ und erhält somit die auf den ersten Blick kompliziertere Darstellung
\mavergleichskettealign
{\vergleichskettealign
{x_n }
{ =} { { \frac{ \,\, \, { \frac{ a_r n^r + a_{r-1} n^{r-1} + \cdots + a_2n^2 + a_1n+a_0 }{ n^s } } \,\, \, }{ \,\, \,{ \frac{ b_s n^s + b_{s-1} n^{s-1} + \cdots + b_2n^2 + b_1n+b_0 }{ n^s } } \,\, \, } } }
{ =} { { \frac{ \,\, \, { \frac{ a_r n^r }{ n^s } } + { \frac{ a_{r-1} n^{r-1} }{ n^s } } + \cdots +{ \frac{ a_2n^2 }{ n^s } } + { \frac{ a_1n }{ n^s } } + { \frac{ a_0 }{ n^s } } \,\, \, }{ \,\, \, { \frac{ b_s n^s }{ n^s } } + { \frac{ b_{s-1} n^{s-1} }{ n^s } } + \cdots + { \frac{ b_2n^2 }{ n^s } } + { \frac{ b_1n }{ n^s } } + { \frac{ b_0 }{ n^s } } \,\, \, } } }
{ =} { { \frac{ \,\, \, { \frac{ a_r }{ n^{s-r } } } + { \frac{ a_{r-1} }{ n^{s-r-1} } } + \cdots +{ \frac{ a_2 }{ n^{s-2} } } + { \frac{ a_1 }{ n^{s-1} } } + { \frac{ a_0 }{ n^s } } \,\, \, }{ \,\, \, b_s + { \frac{ b_{s-1} }{ n } } + \cdots + { \frac{ b_2 }{ n^{s-2} } } + { \frac{ b_1 }{ n^{s-1} } } + { \frac{ b_0 }{ n^s } } \,\, \, } } }
{ } { }
} {} {}{.} Nach Lemma 44.12  (1) konvergiert der Nenner gegen $b_s$. da die Summanden bis auf den ersten Summanden Nullfolgen sind. Der Zähler konvergiert bei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{s }
{ > }{r }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} gegen $0$ und bei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{s }
{ = }{r }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} gegen $a_r$. Im ersten Fall liegt insgesamt eine Nullfolge vor, im zweiten Fall konvergiert die Folge geben
\mathl{{ \frac{ a_r }{ b_r } }}{.}


}




\inputbeispiel{}
{

Zu jedem Element
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ x }
{ \in }{ K }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} in einem \definitionsverweis {archimedisch angeordneten Körper}{}{} $K$ gibt es nach Korollar 28.10 eine eindeutig bestimmte \definitionsverweis {Dezimalbruchfolge}{}{,} die gegen $x$ konvergiert. Zu zwei Elementen $x$ und $y$ muss dabei die Dezimalbruchfolge der Summe
\mathl{x+y}{} nicht die \zusatzklammer {gliedweise genommene} {} {} Summe der einzelnen Dezimalbruchfolgen sein. Beispielsweise ist die Dezimalbruchfolge zur rationalen Zahl ${ \frac{ 7 }{ 9 } }$ gleich
\mathdisp {{ \frac{ 7 }{ 10 } } ,\, { \frac{ 77 }{ 100 } } ,\, { \frac{ 777 }{ 1000 } } ,\, { \frac{ 7777 }{ 10000 } } ,\, { \frac{ 77777 }{ 100000 } } ,\, \ldots} { }
und die Dezimalbruchfolge zur rationalen Zahl ${ \frac{ 8 }{ 9 } }$ gleich
\mathdisp {{ \frac{ 8 }{ 10 } } ,\, { \frac{ 88 }{ 100 } } ,\, { \frac{ 888 }{ 1000 } } ,\, { \frac{ 8888 }{ 10000 } } ,\, { \frac{ 88888 }{ 100000 } } ,\, \ldots} { . }
Die Summe dieser beiden Folgen ist
\mathdisp {{ \frac{ 15 }{ 10 } } ,\, { \frac{ 165 }{ 100 } } ,\, { \frac{ 1665 }{ 1000 } } ,\, { \frac{ 16665 }{ 10000 } } ,\, { \frac{ 166665 }{ 100000 } } ,\, \ldots} { . }
Dagegen besitzt
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ { \frac{ 7 }{ 9 } } + { \frac{ 8 }{ 9 } } }
{ =} { { \frac{ 15 }{ 9 } } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} die Dezimalbruchfolge
\mathdisp {{ \frac{ 16 }{ 10 } } ,\, { \frac{ 166 }{ 100 } } ,\, { \frac{ 1666 }{ 1000 } } ,\, { \frac{ 16666 }{ 10000 } } ,\, { \frac{ 1666666 }{ 100000 } } ,\, \ldots} { . }
Die oben angegebene Summenfolge konvergiert zwar gegen
\mathl{{ \frac{ 15 }{ 9 } }}{,} sie ist aber keine Dezimalbruchfolge.


}


\inputfaktbeweis
{Angeordneter Körper/Zwei konvergente Folgen/Vergleich/Fakt}
{Lemma}
{}
{

\faktsituation {Es sei $K$ ein \definitionsverweis {angeordneter Körper}{}{} und es seien \mathkor {} {{ \left( x_n \right) }_{n \in \N }} {und} {{ \left( y_n \right) }_{n \in \N }} {} \definitionsverweis {konvergente Folgen}{}{} mit
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{x_n }
{ \geq }{ y_n }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} für alle
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{n }
{ \in }{ \N }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.}}
\faktfolgerung {Dann ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \lim_{n \rightarrow \infty} x_n }
{ \geq} { \lim_{n \rightarrow \infty} y_n }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.}}
\faktzusatz {}
\faktzusatz {}

}
{ Siehe Aufgabe 44.17. }


Die folgende Aussage heißt \stichwort {Quetschkriterium} {.}

\inputfaktbeweis
{Angeordneter Körper/Folgen/Quetschkriterium/Fakt}
{Lemma}
{}
{

\faktsituation {Es sei $K$ ein \definitionsverweis {angeordneter Körper}{}{} und es seien \mathkor {} {{ \left( x_n \right) }_{n \in \N }, \, { \left( y_n \right) }_{n \in \N }} {und} {{ \left( z_n \right) }_{n \in \N }} {} drei \definitionsverweis {Folgen}{}{} in $K$.}
\faktvoraussetzung {Es gelte
\mathdisp {x_n \leq y_n \leq z_n \text { für alle } n \in \N} { }
und \mathkor {} {{ \left( x_n \right) }_{n \in \N }} {und} {{ \left( z_n \right) }_{n \in \N }} {} \definitionsverweis {konvergieren}{}{} beide gegen den gleichen Grenzwert $a$.}
\faktfolgerung {Dann konvergiert auch
\mathl{{ \left( y_n \right) }_{n \in \N }}{} gegen diesen Grenzwert $a$.}
\faktzusatz {}
\faktzusatz {}

}
{ Siehe Aufgabe 44.19. }