Zadanie 4.3.3

 Polecenie

Korzystając z twierdzenia o dwóch ciągach wyznacz granice ciągów.

 Wskazówki

Twierdzenie o dwóch ciągach

Jeżeli ciągi \((a_{n}\) i \((b_{n})\) spełniają warunki:

  1. \(a_{n}\leq b_{n},\) dla każdego \( n\geq n_{0},\)

  2. \(\displaystyle\lim_{n\rightarrow \infty }a_{n}=\infty,\)
wówczas \(\displaystyle\lim_{n\rightarrow \infty }b_{n}=\infty.\)
Uwaga
Prawdziwe jest także twierdzenie dla ciągów zbieżnych do granicy niewłaściwej \(-\infty .\)
Rysunek 4.3.3.2
Ilustracja twierdzenia o dwóch ciągach

 Ciąg 1

\(b_{n}=n-3+\sin 2n\)

 Rozwiązanie

Szacujemy ciąg \((b_{n})\) z dołu, korzystając z własności funkcji \(y=\sin x,\) tj. \(\color{#F57C00}{-1\leq \sin x} \leq 1.\)
\[\underbrace{n-4}_{{\Large a_{n}}}=n-3-1\leq \underbrace{n-3+\sin 2n}_{{\Large b_{n}}}\]
Liczymy granicę ciągu \((a_{n}).\)
\[\lim_{n\rightarrow \infty }\left (  n-4 \right )= \left [ \infty -4 \right ]=\infty .\]
Korzystając z twierdzenia o dwóch ciągach możemy wnioskować, że
\[\lim_{n\rightarrow \infty }\left ( n-3+\sin 2n \right )=\infty .\]
Na rysunku widzimy jak zachowują się wyrazy obu ciągów.
Rysunek 4.3.3.1

 Odpowiedź

\(\displaystyle\lim_{n\rightarrow \infty }\left ( n-3+\sin 2n \right )=\infty \)

 Ciąg 2

\(b_{n}=\sqrt[{\Large 2n+1}]{10^{{\large 3n^{2}-2}}+6}\)

 Rozwiązanie

Szacujemy ciąg \((b_{n})\) z dołu.
\[\sqrt[2n+1]{10^{3n^{2}-2}} \leq \sqrt[2n+1]{10^{3n^{2}-2}+6}.\]
Liczymy granicę powstałego ciągu, korzystając na końcu z  \(\displaystyle \lim_{n\to\infty} a^n= +\infty,\ \ \textrm{ dla } a\gt 1 \) .
\[ \begin{eqnarray}
&& \lim_{n\rightarrow \infty }\sqrt[2n+1]{10^{3n^{2}-2}}=
\lim_{n\rightarrow \infty }10^{{\Large\frac{3n^{2}-2}{2n+1}}}=\\
&& \lim_{n\rightarrow \infty }10^{{\Large\frac{3n-\frac{2}{n}}{2+\frac{1}{n}}}}=
\lim_{n\rightarrow \infty }10^{{\Large\frac{\cancelto{\infty}{3n}-\cancelto{0}{\frac{2}{n}}}{2+\cancelto{0}{\frac{1}{n}}}}}=\left [ 10^{\infty } \right ]=\infty.
\end{eqnarray}\]
Zatem z twierdzenia o dwóch ciągach wynika, że
\[\lim_{n\rightarrow \infty }\sqrt[2n+1]{10^{3n^{2}-2}+6}= \infty .\]

 Odpowiedź

\(\displaystyle\lim_{n\rightarrow \infty } \sqrt[{\Large 2n+1}]{10^{{\large 3n^{2}-2}}+6}=\infty\)

 Ciąg 3

\({\displaystyle b_{n}=\frac{1}{\sqrt{2}}+\frac{1}{\sqrt{4}}+\frac{1}{\sqrt{6}}+\cdots+\frac{1}{\sqrt{2n}}}\)

 Rozwiązanie

Szacujemy ciąg \({\displaystyle b_{n}=\frac{1}{\sqrt{2}}+\frac{1}{\sqrt{4}}+\frac{1}{\sqrt{6}}+\cdots+\frac{1}{\sqrt{2n}}}\) z dołu. Korzystamy z metody zastosowanej wcześniej w zadaniu 4.2.4 - Ciąg 2. Ponieważ najmniejszym składnikiem sumy jest ostatni jej składnik, więc suma wszystkich \(n\) - składników jest na pewno większa od \(n\) - najmniejszych składników. (Wszystkie składniki zastępujemy tym najmniejszym, z wyjątkiem jego samego lub inaczej - mnożymy najmniejszy składnik przez ich ilość czyli \(n\).)
\[n\cdot \frac{1}{\sqrt{2n}} \leq \frac{1}{\sqrt{2}}+\frac{1}{\sqrt{4}}+\frac{1}{\sqrt{6}}+\cdots+\frac{1}{\sqrt{2n}}\]
Liczymy granicę powstałego przez oszacowanie ciągu, korzystając z  \(\infty^{b}=\infty \textrm{ dla } 0\lt b \leq \infty\) .
\[
\lim_{n\rightarrow \infty } \frac{n}{\sqrt{2n}}\cdot \frac{\sqrt{n}}{\sqrt{n}}=
\lim_{n\rightarrow \infty } \frac{n\sqrt{n}}{n\sqrt{2}}=
\lim_{n\rightarrow \infty } \frac{\sqrt{n}}{\sqrt{2}}=
\lim_{n\rightarrow \infty } \sqrt{\frac{n}{2}}=\left [ \left (\frac{\infty }{2}  \right )^{\frac{1}{2}} \right ]=\infty
\]
Zatem z twierdzenia o trzech ciągach wynika, że
\[\lim_{n\rightarrow \infty }\left (\frac{1}{\sqrt{2}}+\frac{1}{\sqrt{4}}+\frac{1}{\sqrt{6}}+\cdots+\frac{1}{\sqrt{2n}}  \right )=\infty .\]

 Odpowiedź

\(\displaystyle\lim_{n\rightarrow \infty }\left (\frac{1}{\sqrt{2}}+\frac{1}{\sqrt{4}}+\frac{1}{\sqrt{6}}+\cdots+\frac{1}{\sqrt{2n}}  \right )=\infty\)

 Polecenie

Korzystając z twierdzenia o dwóch ciągach wyznacz granice ciągów.

 Ciąg 1

\(b_{n}=5^{n}+4n^{2}\)

 Odpowiedź

\(\displaystyle\lim_{n\rightarrow \infty }\left (5^{n}+4n^{2}  \right )=\infty \)

 Rozwiązanie

Szacujemy ciąg \((b_{n})\) z dołu:
\[4n^{2} \leq 5^{n}+4n^{2}\]
Liczymy granicę uzyskanego przez szacowanie ciągu
\[\displaystyle\lim_{n\rightarrow \infty }4n^{2}=\infty\]
Zatem z twierdzenia o dwóch ciągach wynika, że
\[\displaystyle\lim_{n\rightarrow \infty }\left (5^{n}+4n^{2}  \right )=\infty .\]

 Ciąg 2

\(b_{n}=3\cos n +2n\)

 Odpowiedź

\(\displaystyle\lim_{n\rightarrow \infty }\left ( 3\cos n +2n \right )=\infty\)

 Rozwiązanie

Szacujemy z dołu ciąg \(b_{n}=3\cos n +2n.\)
Korzystamy z własności funkcji cosinus \(-1 \leq \cos x \leq 1,\) dla każdego \(x\in \mathbb{R}\) a tym bardziej dla \(x\in \mathbb{N}.\)
\[2n-3=3\cdot (-1)+2n\leq 3\cos n +2n\]
Liczymy granicę otrzymanego przez szacowanie ciągu
\[\displaystyle\lim_{n\rightarrow \infty }\left ( 2n-3 \right )=\infty \]
Zatem z twierdzenia o dwóch ciągach wynika, że
\[\displaystyle\lim_{n\rightarrow \infty }\left ( 3\cos n +2n \right )=\infty.\]

 Ciąg 3

\(b_{n}=10^{2n}+(-1)^{n+1}\)

 Odpowiedź

\(\displaystyle\lim_{n\rightarrow \infty }\left (10^{2n}+(-1)^{n+1}  \right )=\infty \)

 Rozwiązanie

Ponieważ
\[(-1)^{n+1}=
\begin{cases}
1, & \textrm{ dla } n \textrm{ - nieparzystego}\\
-1, & \textrm{ dla } n \textrm{ - parzystego}
\end{cases}\]
zatem możemy oszacować ciąg \(b_{n}=10^{2n}+(-1)^{n+1}\) z dołu:
\[10^{2n}-1\leq 10^{2n}+(-1)^{n+1}.\]
Liczymy granicę powstałego przez oszacowanie ciągu
\[\displaystyle\lim_{n\rightarrow \infty }\left (10^{2n}-1 \right )=\infty \]
Zatem z twierdzenia o dwóch ciągach wynika, że
\[\displaystyle\lim_{n\rightarrow \infty }\left (10^{2n}+(-1)^{n+1}  \right )=\infty .\]