Enunciat del teorema per al cas ∙/∞
modifica
Enunciat del teorema per al cas 0/0
modifica
Criteri de Stolz de l'arrel
modifica
Demostració del teorema per al cas ∙/∞
modifica
Cas 1: suposem que
(
b
n
)
{\displaystyle (b_{n})}
estrictament creixent i divergent a
+
∞
{\displaystyle +\infty }
i
−
∞
<
l
<
∞
{\displaystyle -\infty <l<\infty }
. Per hipòtesi , tenim que per a tot
ϵ
/
2
>
0
{\displaystyle \epsilon /2>0}
existeix
ν
>
0
{\displaystyle \nu >0}
tal que
∀
n
>
ν
{\displaystyle \forall n>\nu }
|
a
n
+
1
−
a
n
b
n
+
1
−
b
n
−
l
|
<
ϵ
2
,
{\displaystyle \left|\,{\frac {a_{n+1}-a_{n}}{b_{n+1}-b_{n}}}-l\,\right|<{\frac {\epsilon }{2}},}
és a dir
l
−
ϵ
/
2
<
a
n
+
1
−
a
n
b
n
+
1
−
b
n
<
l
+
ϵ
/
2
,
∀
n
>
ν
.
{\displaystyle l-\epsilon /2<{\frac {a_{n+1}-a_{n}}{b_{n+1}-b_{n}}}<l+\epsilon /2,\quad \forall n>\nu .}
Com que
(
b
n
)
{\displaystyle (b_{n})}
augmenta estrictament,
b
n
+
1
−
b
n
>
0
{\displaystyle b_{n+1}-b_{n}>0}
, i es compleix el següent
(
l
−
ϵ
/
2
)
(
b
n
+
1
−
b
n
)
<
a
n
+
1
−
a
n
<
(
l
+
ϵ
/
2
)
(
b
n
+
1
−
b
n
)
,
∀
n
>
ν
{\displaystyle (l-\epsilon /2)(b_{n+1}-b_{n})<a_{n+1}-a_{n}<(l+\epsilon /2)(b_{n+1}-b_{n}),\quad \forall n>\nu }
.
A continuació ens adonem que
a
n
=
[
(
a
n
−
a
n
−
1
)
+
⋯
+
(
a
ν
+
2
−
a
ν
+
1
)
]
+
a
ν
+
1
{\displaystyle a_{n}=[(a_{n}-a_{n-1})+\dots +(a_{\nu +2}-a_{\nu +1})]+a_{\nu +1}}
així, aplicant la desigualtat anterior a cadascun dels termes entre claudàtors , obtenim
(
l
−
ϵ
/
2
)
(
b
n
−
b
ν
+
1
)
+
a
ν
+
1
=
(
l
−
ϵ
/
2
)
[
(
b
n
−
b
n
−
1
)
+
⋯
+
(
b
ν
+
2
−
b
ν
+
1
)
]
+
a
ν
+
1
<
a
n
a
n
<
(
l
+
ϵ
/
2
)
[
(
b
n
−
b
n
−
1
)
+
⋯
+
(
b
ν
+
2
−
b
ν
+
1
)
]
+
a
ν
+
1
=
(
l
+
ϵ
/
2
)
(
b
n
−
b
ν
+
1
)
+
a
ν
+
1
.
{\displaystyle {\begin{aligned}&(l-\epsilon /2)(b_{n}-b_{\nu +1})+a_{\nu +1}=(l-\epsilon /2)[(b_{n}-b_{n-1})+\dots +(b_{\nu +2}-b_{\nu +1})]+a_{\nu +1}<a_{n}\\&a_{n}<(l+\epsilon /2)[(b_{n}-b_{n-1})+\dots +(b_{\nu +2}-b_{\nu +1})]+a_{\nu +1}=(l+\epsilon /2)(b_{n}-b_{\nu +1})+a_{\nu +1}.\end{aligned}}}
Ara, com que
b
n
→
+
∞
{\displaystyle b_{n}\to +\infty }
amb
n
→
∞
{\displaystyle n\to \infty }
, hi ha un
n
0
>
0
{\displaystyle n_{0}>0}
tal que
b
n
>
0
{\displaystyle b_{n}>0}
per a tots els
n
>
n
0
{\displaystyle n>n_{0}}
, i podem dividir les dues desigualtats per
b
n
{\displaystyle b_{n}}
per a tots els
n
>
max
{
ν
,
n
0
}
{\displaystyle n>\max\{\nu ,n_{0}\}}
(
l
−
ϵ
/
2
)
+
a
ν
+
1
−
b
ν
+
1
(
l
−
ϵ
/
2
)
b
n
<
a
n
b
n
<
(
l
+
ϵ
/
2
)
+
a
ν
+
1
−
b
ν
+
1
(
l
+
ϵ
/
2
)
b
n
.
{\displaystyle (l-\epsilon /2)+{\frac {a_{\nu +1}-b_{\nu +1}(l-\epsilon /2)}{b_{n}}}<{\frac {a_{n}}{b_{n}}}<(l+\epsilon /2)+{\frac {a_{\nu +1}-b_{\nu +1}(l+\epsilon /2)}{b_{n}}}.}
Les dues successios (que només es defineixen per a
n
>
n
0
{\displaystyle n>n_{0}}
ja que podria haver-hi un
N
≤
n
0
{\displaystyle N\leq n_{0}}
tal que
b
N
=
0
{\displaystyle b_{N}=0}
)
c
n
±
:=
a
ν
+
1
−
b
ν
+
1
(
l
±
ϵ
/
2
)
b
n
{\displaystyle c_{n}^{\pm }:={\frac {a_{\nu +1}-b_{\nu +1}(l\pm \epsilon /2)}{b_{n}}}}
són infinitesimals ja que
b
n
→
+
∞
{\displaystyle b_{n}\to +\infty }
i el numerador és un nombre constant , per tant, per a tot
ϵ
/
2
>
0
{\displaystyle \epsilon /2>0}
existeix
n
±
>
n
0
>
0
{\displaystyle n_{\pm }>n_{0}>0}
, de manera que
|
c
n
+
|
<
ϵ
/
2
,
∀
n
>
n
+
,
|
c
n
−
|
<
ϵ
/
2
,
∀
n
>
n
−
,
{\displaystyle {\begin{aligned}&|c_{n}^{+}|<\epsilon /2,\quad \forall n>n_{+},\\&|c_{n}^{-}|<\epsilon /2,\quad \forall n>n_{-},\end{aligned}}}
per tant
l
−
ϵ
<
l
−
ϵ
/
2
+
c
n
−
<
a
n
b
n
<
l
+
ϵ
/
2
+
c
n
+
<
l
+
ϵ
,
∀
n
>
max
{
ν
,
n
±
}
=:
N
>
0
,
{\displaystyle l-\epsilon <l-\epsilon /2+c_{n}^{-}<{\frac {a_{n}}{b_{n}}}<l+\epsilon /2+c_{n}^{+}<l+\epsilon ,\quad \forall n>\max \lbrace \nu ,n_{\pm }\rbrace =:N>0,}
que conclou la prova.
El cas amb
(
b
n
)
{\displaystyle (b_{n})}
estrictament decreixent i divergent a
−
∞
{\displaystyle -\infty }
, i
l
<
∞
{\displaystyle l<\infty }
és similar.
Cas 2: suposem que
(
b
n
)
{\displaystyle (b_{n})}
estrictament creixent i divergent a
+
∞
{\displaystyle +\infty }
i
l
=
+
∞
{\displaystyle l=+\infty }
. Seguint com abans, per a tots els
2
M
>
0
{\displaystyle 2M>0}
hi ha
ν
>
0
{\displaystyle \nu >0}
de manera que per a tots els
n
>
ν
{\displaystyle n>\nu }
a
n
+
1
−
a
n
b
n
+
1
−
b
n
>
2
M
.
{\displaystyle {\frac {a_{n+1}-a_{n}}{b_{n+1}-b_{n}}}>2M.}
De nou, aplicant la desigualtat anterior a cadascun dels termes dins dels claudàtors obtenim
a
n
>
2
M
(
b
n
−
b
ν
+
1
)
+
a
ν
+
1
,
∀
n
>
ν
,
{\displaystyle a_{n}>2M(b_{n}-b_{\nu +1})+a_{\nu +1},\quad \forall n>\nu ,}
i
a
n
b
n
>
2
M
+
a
ν
+
1
−
2
M
b
ν
+
1
b
n
,
∀
n
>
max
{
n
u
,
n
0
}
.
{\displaystyle {\frac {a_{n}}{b_{n}}}>2M+{\frac {a_{\nu +1}-2Mb_{\nu +1}}{b_{n}}},\quad \forall n>\max\{\ nu,n_{0}\}.}
La successió
(
c
n
)
n
>
n
0
{\displaystyle (c_{n})_{n>n_{0}}}
definida per
c
n
:=
a
ν
+
1
−
2
M
b
ν
+
1
b
n
{\displaystyle c_{n}:={\frac {a_{\nu +1}-2Mb_{\nu +1}}{b_{n}}}}
és infinitesimal, per tant
∀
M
>
0
∃
n
¯
>
n
0
>
0
tal que
−
M
<
c
n
<
M
,
∀
n
>
n
¯
,
{\displaystyle \forall M>0\,\exists {\bar {n}}>n_{0}>0{\text{ tal que }}-M<c_{n}<M,\,\forall n>{\bar {n}},}
combinant aquesta desigualtat amb l'anterior concloem
a
n
b
n
>
2
M
+
c
n
>
M
,
∀
n
>
max
{
ν
,
n
¯
}
=:
N
.
{\displaystyle {\frac {a_{n}}{b_{n}}}>2M+c_{n}>M,\quad \forall n>\max\{\nu ,{\bar {n}}\}=:N.}
Les demostracions dels altres casos amb
(
b
n
)
{\displaystyle (b_{n})}
estrictament creixent o decreixent i s'acosten a
+
∞
{\displaystyle +\infty }
o
−
∞
{\displaystyle -\infty }
respectivament i
l
=
±
∞
{\displaystyle l=\pm \infty }
tots procedeixen de la mateixa manera.
Demostració del teorema per al cas 0/0
modifica
Cas 1: primer considerem el cas amb
l
<
∞
{\displaystyle l<\infty }
i
(
b
n
)
{\displaystyle (b_{n})}
estrictament decreixents. Aquesta vegada, per cada
ν
>
0
{\displaystyle \nu >0}
, podem escriure
a
n
=
(
a
n
−
a
n
+
1
)
+
⋯
+
(
a
n
+
ν
−
1
−
a
n
+
ν
)
+
a
n
+
ν
,
{\displaystyle a_{n}=(a_{n}-a_{n+1})+\dots +(a_{n+\nu -1}-a_{n+\nu })+a_{n+\nu },}
i per a qualsevol
ϵ
/
2
>
0
,
{\displaystyle \epsilon /2>0,}
∃
n
0
{\displaystyle \exists n_{0}}
de manera que per a tots els
n
>
n
0
{\displaystyle n>n_{0}}
tenim
(
l
−
ϵ
/
2
)
(
b
n
−
b
n
+
ν
)
+
a
n
+
ν
=
(
l
−
ϵ
/
2
)
[
(
b
n
−
b
n
+
1
)
+
⋯
+
(
b
n
+
ν
−
1
−
b
n
+
ν
)
]
+
a
n
+
ν
<
a
n
a
n
<
(
l
+
ϵ
/
2
)
[
(
b
n
−
b
n
+
1
)
+
⋯
+
(
b
n
+
ν
−
1
−
b
n
+
ν
)
]
+
a
n
+
ν
=
(
l
+
ϵ
/
2
)
(
b
n
−
b
n
+
ν
)
+
a
n
+
ν
.
{\displaystyle {\begin{aligned}&(l-\epsilon /2)(b_{n}-b_{n+\nu })+a_{n+\nu }=(l-\epsilon /2)[(b_{n}-b_{n+1})+\dots +(b_{n+\nu -1}-b_{n+\nu })]+a_{n+\nu }<a_{n}\\&a_{n}<(l+\epsilon /2)[(b_{n}-b_{n+1})+\dots +(b_{n+\nu -1}-b_{n+\nu })]+a_{n+\nu }=(l+\epsilon /2)(b_{n}-b_{n+\nu })+a_{n+\nu }.\end{aligned}}}
Les dues successions
c
ν
±
:=
a
n
+
ν
−
b
n
+
ν
(
l
±
ϵ
/
2
)
b
n
{\displaystyle c_{\nu }^{\pm }:={\frac {a_{n+\nu }-b_{n+\nu }(l\pm \epsilon /2)}{b_{n}}}}
són infinitesimals ja que per hipòtesi
a
n
+
ν
,
b
n
+
ν
→
0
{\displaystyle a_{n+\nu },b_{n+\nu }\to 0}
amb
ν
→
∞
{\displaystyle \nu \to \infty }
, per tant, per a tots els
ϵ
/
2
>
0
{\displaystyle \epsilon /2>0}
hi ha
ν
±
>
0
{\displaystyle \nu _{\pm }>0}
de tal manera que
|
c
ν
+
|
<
ϵ
/
2
,
∀
ν
>
ν
+
,
|
c
ν
−
|
<
ϵ
/
2
,
∀
ν
>
ν
−
,
{\displaystyle {\begin{aligned}&|c_{\nu }^{+}|<\epsilon /2,\quad \forall \nu >\nu _{+},\\&|c_{\nu }^{-}|<\epsilon /2,\quad \forall \nu >\nu _{-},\end{aligned}}}
així, escollint
ν
{\displaystyle \nu }
adequadament (és a dir, agafant el límit respecte a
ν
{\displaystyle \nu }
) obtenim
l
−
ϵ
<
l
−
ϵ
/
2
+
c
ν
−
<
a
n
b
n
<
l
+
ϵ
/
2
+
c
ν
+
<
l
+
ϵ
,
∀
n
>
n
0
{\displaystyle l-\epsilon <l-\epsilon /2+c_{\nu }^{-}<{\frac {a_{n}}{b_{n}}}<l+\epsilon /2+c_{\nu }^{+}<l+\epsilon ,\quad \forall n>n_{0}}
que conclou la prova.
Cas 2: suposem que
l
=
+
∞
{\displaystyle l=+\infty }
i
(
b
n
)
{\displaystyle (b_{n})}
estan estrictament decreixents. Per a tots els
2
M
>
0
{\displaystyle 2M>0}
existeix
n
0
>
0
{\displaystyle n_{0}>0}
de manera que per a tots els
n
>
n
0
,
{\displaystyle n>n_{0},}
a
n
+
1
−
a
n
b
n
+
1
−
b
n
>
2
M
⟹
a
n
−
a
n
+
1
>
2
M
(
b
n
−
b
n
+
1
)
.
{\displaystyle {\frac {a_{n+1}-a_{n}}{b_{n+1}-b_{n}}}>2M\implies a_{n}-a_{n+1}>2M(b_{n}-b_{n+1}).}
Per tant, per a cada
ν
>
0
,
{\displaystyle \nu >0,}
a
n
b
n
>
2
M
+
a
n
+
ν
−
2
M
b
n
+
ν
b
n
,
∀
n
>
n
0
.
{\displaystyle {\frac {a_{n}}{b_{n}}}>2M+{\frac {a_{n+\nu }-2Mb_{n+\nu }}{b_{n}}},\quad \forall n>n_{0}.}
La successió
c
ν
:=
a
n
+
ν
−
2
M
b
n
+
ν
b
n
{\displaystyle c_{\nu }:={\frac {a_{n+\nu }-2Mb_{n+\nu }}{b_{n}}}}
convergeix a
0
{\displaystyle 0}
(mantenint
n
{\displaystyle n}
fixa). Per tant
∀
M
>
0
∃
ν
¯
>
0
{\displaystyle \forall M>0\,~\exists {\bar {\nu }}>0}
de manera que
−
M
<
c
ν
<
M
,
∀
ν
>
ν
¯
,
{\displaystyle -M<c_{\nu }<M,\,\forall \nu >{\bar {\nu }},}
i, escollint
ν
{\displaystyle \nu }
convenientment, concloem la demostració
a
n
b
n
>
2
M
+
c
ν
>
M
,
∀
n
>
n
0
.
{\displaystyle {\frac {a_{n}}{b_{n}}}>2M+c_{\nu }>M,\quad \forall n>n_{0}.}
Aplicacions i exemples
modifica
El teorema sobre el cas
⋅
/
∞
{\displaystyle \cdot /\infty }
té unes quantes conseqüències notables que són útils en el càlcul de límits.
Sumatori aritmètic
modifica
Sigui
(
x
n
)
{\displaystyle (x_{n})}
una successió de nombres reals que convergeix a
l
{\displaystyle l}
, definim
a
n
:=
∑
m
=
1
n
x
m
=
x
1
+
⋯
+
x
n
,
b
n
:=
n
{\displaystyle a_{n}:=\sum _{m=1}^{n}x_{m}=x_{1}+\dots +x_{n},\quad b_{n}:=n}
aleshores
(
b
n
)
{\displaystyle (b_{n})}
és estrictament creixent i divergeix a
+
∞
{\displaystyle +\infty }
. Calculem
lim
n
→
∞
a
n
+
1
−
a
n
b
n
+
1
−
b
n
=
lim
n
→
∞
x
n
+
1
=
lim
n
→
∞
x
n
=
l
{\displaystyle \lim _{n\to \infty }{\frac {a_{n+1}-a_{n}}{b_{n+1}-b_{n}}}=\lim _{n\to \infty }x_{n+1}=\lim _{n\to \infty }x_{n}=l}
per tant
lim
n
→
∞
x
1
+
⋯
+
x
n
n
=
lim
n
→
∞
x
n
.
{\displaystyle \lim _{n\to \infty }{\frac {x_{1}+\dots +x_{n}}{n}}=\lim _{n\to \infty }x_{n}.}
Donada qualsevol successió
(
x
n
)
n
≥
1
{\displaystyle (x_{n})_{n\geq 1}}
de nombres reals, suposem que
lim
n
→
∞
x
n
{\displaystyle \lim _{n\to \infty }x_{n}}
(finit o infinit), llavors existeix
lim
n
→
∞
x
1
+
⋯
+
x
n
n
=
lim
n
→
∞
x
n
.
{\displaystyle \lim _{n\to \infty }{\frac {x_{1}+\dots +x_{n}}{n}}=\lim _{n\to \infty }x_{n}.}
Sumatori geomètric
modifica
Sigui
(
x
n
)
{\displaystyle (x_{n})}
una successió de nombres reals positius que convergeixen a
l
{\displaystyle l}
i definim
a
n
:=
log
(
x
1
⋯
x
n
)
,
b
n
:=
n
,
{\displaystyle a_{n}:=\log(x_{1}\cdots x_{n}),\quad b_{n}:=n,}
tornem a calcular
lim
n
→
∞
a
n
+
1
−
a
n
b
n
+
1
−
b
n
=
lim
n
→
∞
log
(
x
1
⋯
x
n
+
1
x
1
⋯
x
n
)
=
lim
n
→
∞
log
(
x
n
+
1
)
=
lim
n
→
∞
log
(
x
n
)
=
log
(
l
)
,
{\displaystyle \lim _{n\to \infty }{\frac {a_{n+1}-a_{n}}{b_{n+1}-b_{n}}}=\lim _{n\to \infty }\log {\Big (}{\frac {x_{1}\cdots x_{n+1}}{x_{1}\cdots x_{n}}}{\Big )}=\lim _{n\to \infty }\log(x_{n+1})=\lim _{n\to \infty }\log(x_{n})=\log(l),}
on hem utilitzat el fet que el logaritme és continu. Així
lim
n
→
∞
log
(
x
1
⋯
x
n
)
n
=
lim
n
→
∞
log
(
(
x
1
⋯
x
n
)
1
n
)
=
log
(
l
)
,
{\displaystyle \lim _{n\to \infty }{\frac {\log(x_{1}\cdots x_{n})}{n}}=\lim _{n\to \infty }\log {\Big (}(x_{1}\cdots x_{n})^{\frac {1}{n}}{\Big )}=\log(l),}
com que el logaritme és alhora continu i injectiu podem concloure que
lim
n
→
∞
x
1
⋯
x
n
n
=
lim
n
→
∞
x
n
{\displaystyle \lim _{n\to \infty }{\sqrt[{n}]{x_{1}\cdots x_{n}}}=\lim _{n\to \infty }x_{n}}
.
Donada qualsevol successió
(
x
n
)
n
≥
1
{\displaystyle (x_{n})_{n\geq 1}}
de nombres reals (estrictament) positius, suposem que
lim
n
→
∞
x
n
{\displaystyle \lim _{n\to \infty }x_{n}}
existeix (finit o infinit), doncs
lim
n
→
∞
x
1
⋯
x
n
n
=
lim
n
→
∞
x
n
.
{\displaystyle \lim _{n\to \infty }{\sqrt[{n}]{x_{1}\cdots x_{n}}}=\lim _{n\to \infty }x_{n}.}
Suposem que se'ns dóna una successió
(
y
n
)
n
≥
1
{\displaystyle (y_{n})_{n\geq 1}}
i se'ns demana que calculem
lim
n
→
∞
y
n
n
,
{\displaystyle \lim _{n\to \infty }{\sqrt[{n}]{y_{n}}},}
definint
y
0
=
1
{\displaystyle y_{0}=1}
i
x
n
=
y
n
/
y
n
−
1
{\displaystyle x_{n}=y_{n}/y_{n-1}}
obtenim
lim
n
→
∞
x
1
…
x
n
n
=
lim
n
→
∞
y
1
…
y
n
y
0
⋅
y
1
…
y
n
−
1
n
=
lim
n
→
∞
y
n
n
,
{\displaystyle \lim _{n\to \infty }{\sqrt[{n}]{x_{1}\dots x_{n}}}=\lim _{n\to \infty }{\sqrt[{n}]{\frac {y_{1}\dots y_{n}}{y_{0}\cdot y_{1}\dots y_{n-1}}}}=\lim _{n\to \infty }{\sqrt[{n}]{y_{n}}},}
si apliquem la propietat anterior
lim
n
→
∞
y
n
n
=
lim
n
→
∞
x
n
=
lim
n
→
∞
y
n
y
n
−
1
.
{\displaystyle \lim _{n\to \infty }{\sqrt[{n}]{y_{n}}}=\lim _{n\to \infty }x_{n}=\lim _{n\to \infty }{\frac {y_{n}}{y_{n-1}}}.}
Aquesta última forma sol ser la més útil per calcular límits
Donada qualsevol successió
(
y
n
)
n
≥
1
{\displaystyle (y_{n})_{n\geq 1}}
de nombres reals (estrictament) positius, suposem que
lim
n
→
∞
y
n
+
1
y
n
{\displaystyle \lim _{n\to \infty }{\frac {y_{n+1}}{y_{n}}}}
existeix (finit o infinit), doncs
lim
n
→
∞
y
n
n
=
lim
n
→
∞
y
n
+
1
y
n
.
{\displaystyle \lim _{n\to \infty }{\sqrt[{n}]{y_{n}}}=\lim _{n\to \infty }{\frac {y_{n+1}}{y_{n}}}.}
lim
n
→
∞
n
n
=
lim
n
→
∞
n
+
1
n
=
1.
{\displaystyle \lim _{n\to \infty }{\sqrt[{n}]{n}}=\lim _{n\to \infty }{\frac {n+1}{n}}=1.}
lim
n
→
∞
n
!
n
n
=
lim
n
→
∞
(
n
+
1
)
!
(
n
n
)
n
!
(
n
+
1
)
n
+
1
=
lim
n
→
∞
n
n
(
n
+
1
)
n
=
lim
n
→
∞
1
(
1
+
1
n
)
n
=
1
e
{\displaystyle {\begin{aligned}\lim _{n\to \infty }{\frac {\sqrt[{n}]{n!}}{n}}&=\lim _{n\to \infty }{\frac {(n+1)!(n^{n})}{n!(n+1)^{n+1}}}\\&=\lim _{n\to \infty }{\frac {n^{n}}{(n+1)^{n}}}=\lim _{n\to \infty }{\frac {1}{(1+{\frac {1}{n}})^{n}}}={\frac {1}{e}}\end{aligned}}}
on hem utilitzat la representació de
e
{\displaystyle e}
com a límit d'una successió .
El cas ∞/∞ està enunciat i provat a les pàgines 173-175 del llibre de Stolz de 1885 i també a la pàgina 54 de l'article de Cesàro de 1888.
Apareix com el problema 70 a [Pólya, Szegő 1925].
La forma general
modifica
La forma general del teorema de Stolz–Cesàro és la següent:[5] Si
(
a
n
)
n
≥
1
{\displaystyle (a_{n})_{n\geq 1}}
i
(
b
n
)
n
≥
1
{\displaystyle (b_{n})_{n\geq 1}}
són dues successions tals que
(
b
n
)
n
≥
1
{\displaystyle (b_{n})_{n\geq 1}}
és monòton i no fitat:
lim inf
n
→
∞
a
n
+
1
−
a
n
b
n
+
1
−
b
n
≤
lim inf
n
→
∞
a
n
b
n
≤
lim sup
n
→
∞
a
n
b
n
≤
lim sup
n
→
∞
a
n
+
1
−
a
n
b
n
+
1
−
b
n
.
{\displaystyle \liminf _{n\to \infty }{\frac {a_{n+1}-a_{n}}{b_{n+1}-b_{n}}}\leq \liminf _{n\to \infty }{\frac {a_{n}}{b_{n}}}\leq \limsup _{n\to \infty }{\frac {a_{n}}{b_{n}}}\leq \limsup _{n\to \infty }{\frac {a_{n+1}-a_{n}}{b_{n+1}-b_{n}}}.}
En lloc de demostrar l'afirmació anterior, en demostrarem una lleugerament diferent; primer introduïm una notació: sigui
(
a
n
)
n
≥
1
{\displaystyle (a_{n})_{n\geq 1}}
qualsevol successió, la seva suma parcial es denotarà per
A
n
:=
∑
m
≥
1
n
a
m
{\displaystyle A_{n}:=\sum _{m\geq 1}^{n}a_{m}}
. L'enunciat equivalent que demostrarem és:
Siguin
(
a
n
)
n
≥
1
,
(
b
n
)
≥
1
{\displaystyle (a_{n})_{n\geq 1},(b_{n})_{\geq 1}}
dues successions qualsevol de nombres reals tals que
b
n
>
0
,
∀
n
∈
Z
>
0
{\displaystyle b_{n}>0,\quad \forall n\in {\mathbb {Z} }_{>0}}
,
lim
n
→
∞
B
n
=
+
∞
{\displaystyle \lim _{n\to \infty }B_{n}=+\infty }
,
llavors
lim inf
n
→
∞
a
n
b
n
≤
lim inf
n
→
∞
A
n
B
n
≤
lim sup
n
→
∞
A
n
B
n
≤
lim sup
n
→
∞
a
n
b
n
.
{\displaystyle \liminf _{n\to \infty }{\frac {a_{n}}{b_{n}}}\leq \liminf _{n\to \infty }{\frac {A_{n}}{B_{n}}}\leq \limsup _{n\to \infty }{\frac {A_{n}}{B_{n}}}\leq \limsup _{n\to \infty }{\frac {a_{n}}{b_{n}}}.}
Prova de l'enunciat equivalent
modifica
Primer observem que:
lim inf
n
→
∞
A
n
B
n
≤
lim sup
n
→
∞
A
n
B
n
{\displaystyle \liminf _{n\to \infty }{\frac {A_{n}}{B_{n}}}\leq \limsup _{n\to \infty }{\frac {A_{n}}{B_{n}}}}
sosté per definició de límit superior i límit inferior ;
lim inf
n
→
∞
a
n
b
n
≤
lim inf
n
→
∞
A
n
B
n
{\displaystyle \liminf _{n\to \infty }{\frac {a_{n}}{b_{n}}}\leq \liminf _{n\to \infty }{\frac {A_{n}}{B_{n}}}}
es manté si i només si
lim sup
n
→
∞
A
n
B
n
≤
lim sup
n
→
∞
a
n
b
n
{\displaystyle \limsup _{n\to \infty }{\frac {A_{n}}{B_{n}}}\leq \limsup _{n\to \infty }{\frac {a_{n}}{b_{n}}}}
perquè
lim inf
n
→
∞
x
n
=
−
lim sup
n
→
∞
(
−
x
n
)
{\displaystyle \liminf _{n\to \infty }x_{n}=-\limsup _{n\to \infty }(-x_{n})}
per a qualsevol successió
(
x
n
)
n
≥
1
{\displaystyle (x_{n})_{n\geq 1}}
.
Per tant, només hem de demostrar que
lim sup
n
→
∞
A
n
B
n
≤
lim sup
n
→
∞
a
n
b
n
{\displaystyle \limsup _{n\to \infty }{\frac {A_{n}}{B_{n}}}\leq \limsup _{n\to \infty }{\frac {a_{n}}{b_{n}}}}
. Si
L
:=
lim sup
n
→
∞
a
n
b
n
=
+
∞
{\displaystyle L:=\limsup _{n\to \infty }{\frac {a_{n}}{b_{n}}}=+\infty }
no hi ha res a demostrar, per tant podem suposar
L
<
+
∞
{\displaystyle L<+\infty }
(pot ser finit o
−
∞
{\displaystyle -\infty }
). Per definició de
lim sup
{\displaystyle \limsup }
, per a tot
l
>
L
{\displaystyle l>L}
hi ha un nombre natural
ν
>
0
{\displaystyle \nu >0}
de tal manera que
a
n
b
n
<
l
,
∀
n
>
ν
.
{\displaystyle {\frac {a_{n}}{b_{n}}}<l,\quad \forall n>\nu .}
Podem utilitzar aquesta desigualtat per escriure
A
n
=
A
ν
+
a
ν
+
1
+
⋯
+
a
n
<
A
ν
+
l
(
B
n
−
B
ν
)
,
∀
n
>
ν
,
{\displaystyle A_{n}=A_{\nu }+a_{\nu +1}+\dots +a_{n}<A_{\nu }+l(B_{n}-B_{\nu }),\quad \forall n>\nu ,}
Perquè
b
n
>
0
{\displaystyle b_{n}>0}
, també tenim
B
n
>
0
{\displaystyle B_{n}>0}
i podem dividir per
B
n
{\displaystyle B_{n}}
per aconseguir
A
n
B
n
<
A
ν
−
l
B
ν
B
n
+
l
,
∀
n
>
ν
.
{\displaystyle {\frac {A_{n}}{B_{n}}}<{\frac {A_{\nu }-lB_{\nu }}{B_{n}}}+l,\quad \forall n>\nu .}
A partir que
B
n
→
+
∞
{\displaystyle B_{n}\to +\infty }
amb
n
→
+
∞
{\displaystyle n\to +\infty }
, la successió
A
ν
−
l
B
ν
B
n
→
0
amb
n
→
+
∞
(mantenint
ν
fix)
,
{\displaystyle {\frac {A_{\nu }-lB_{\nu }}{B_{n}}}\to 0{\text{ amb }}n\to +\infty {\text{ (mantenint }}\nu {\text{ fix)}},}
i obtenim
lim sup
n
→
∞
A
n
B
n
≤
l
,
∀
l
>
L
,
{\displaystyle \limsup _{n\to \infty }{\frac {A_{n}}{B_{n}}}\leq l,\quad \forall l>L,}
Per definició de límit superior mínim , això significa precisament això
lim sup
n
→
∞
A
n
B
n
≤
L
=
lim sup
n
→
∞
a
n
b
n
,
{\displaystyle \limsup _{n\to \infty }{\frac {A_{n}}{B_{n}}}\leq L=\limsup _{n\to \infty }{\frac {a_{n}}{b_{n}}},}
i hem acabat.
Prova de l'enunciat original
modifica
Ara, prenem
(
a
n
)
,
(
b
n
)
{\displaystyle (a_{n}),(b_{n})}
com en l'enunciat de la forma general del teorema de Stolz-Cesàro i definim
α
1
=
a
1
,
α
k
=
a
k
−
a
k
−
1
,
∀
k
>
1
β
1
=
b
1
,
β
k
=
b
k
−
b
k
−
1
∀
k
>
1
{\displaystyle \alpha _{1}=a_{1},\alpha _{k}=a_{k}-a_{k-1},\,\forall k>1\quad \beta _{1}=b_{1},\beta _{k}=b_{k}-b_{k-1}\,\forall k>1}
a partir que
(
b
n
)
{\displaystyle (b_{n})}
és estrictament monòton (podem suposar que augmenta estrictament, per exemple),
β
n
>
0
{\displaystyle \beta _{n}>0}
per a tot
n
{\displaystyle n}
i a partir que
b
n
→
+
∞
{\displaystyle b_{n}\to +\infty }
també
B
n
=
b
1
+
(
b
2
−
b
1
)
+
⋯
+
(
b
n
−
b
n
−
1
)
=
b
n
→
+
∞
{\displaystyle \mathrm {B} _{n}=b_{1}+(b_{2}-b_{1})+\dots +(b_{n}-b_{n-1})=b_{n}\to +\infty }
, així podem aplicar el teorema que acabem de demostrar
(
α
n
)
,
(
β
n
)
{\displaystyle (\alpha _{n}),(\beta _{n})}
(i les seves sumes parcials
(
A
n
)
,
(
B
n
)
{\displaystyle (\mathrm {A} _{n}),(\mathrm {B} _{n})}
)
lim sup
n
→
∞
a
n
b
n
=
lim sup
n
→
∞
A
n
B
n
≤
lim sup
n
→
∞
α
n
β
n
=
lim sup
n
→
∞
a
n
−
a
n
−
1
b
n
−
b
n
−
1
,
{\displaystyle \limsup _{n\to \infty }{\frac {a_{n}}{b_{n}}}=\limsup _{n\to \infty }{\frac {\mathrm {A} _{n}}{\mathrm {B} _{n}}}\leq \limsup _{n\to \infty }{\frac {\alpha _{n}}{\beta _{n}}}=\limsup _{n\to \infty }{\frac {a_{n}-a_{n-1}}{b_{n}-b_{n-1}}},}
que és exactament el que volíem demostrar.
Cesàro , Ernesto . Sur la convergence des séries (en francès). 7. Nouvelles Annales de Mathématiques, 1888, p. 49-59 (Series 3).
Choudary , A. D. R; Niculescu , Constantin. Real Analysis on Intervals (en anglès). Springer, 2014, p. 59-62. ISBN 978-81-322-2147-0 .
Marshall Ash , J; Berele , Allan; Catoiu , Stefan «Plausible and Genuine Extensions of L’Hospital's Rule» (en anglès). Mathematics Magazine , 85(1), febrer 2012, pàg. 52-60. JSTOR : 10.4169/math.mag.85.1.52 .
Mureşan , Marian. A Concrete Approach to Classical Analysis (en anglès). Berlín: Springer , 2008, p. 85-88. ISBN 978-0-387-78932-3 .
Pólya , George ; Szegő , Gábor . Aufgaben und Lehrsätze aus der Analysis (en alemany). I. Berlín: Springer , 1925.
Stolz , Otto . Vorlesungen über allgemeine Arithmetik: nach den Neueren Ansichten (en alemany). Leipzig: Teubners, 1885, p. 173-175.