Posloupnosti a řady
Obsah oddílu
Limita posloupnosti, nekonečné řady
Stručný přehled teorie
Posloupnost $(a_n)^{\infty}_{n=1}$ má vlastní limitu $a \in R$ právě tehdy, když ke každému $\varepsilon \gt 0$ existuje $n_0 \in R$ tak, že pro všechna $n \geq n_0$, kde $n \in N$, platí $|a_n-a| \lt \varepsilon$. Píšeme pak: $\lim\limits_{n \to \infty} a_n = a$.

- Posloupnost, jejíž limitou je reálné číslo $a$, se nazývá konvergentní. (Říkáme také, že posloupnost konverguje k číslu $a$.)
- Posloupnost, která nemá limitu nebo jejíž limita je rovna $\pm \infty$, se nazývá divergentní.
- Každá posloupnost může mít nejvýše jednu limitu.
Poznámka
- Každá konstantní posloupnost $(a_n)^{\infty}_{n=1}=(c)^{\infty}_{n=1}$ je konvergentní a $\lim\limits_{n \to \infty} c = c$
- Každá neklesající shora omezená posloupnost je konvergentní.
- Každá nerostoucí zdola omezená posloupnost je konvergentní.
- Každá konvergentní posloupnost je shora i zdola omezená.
!!Obrácená věta neplatí … viz např. posloupnost $(a_n)^{\infty}_{n=1}=(-1)^n$



Metodika
S termínem „limita“ se studenti setkávají poprvé. Jde o zcela nový pojem, který od studentů vyžaduje značnou dávku abstrakce a nového způsobu představ a myšlení. Učitel by se měl postarat , aby co nejdříve dosáhl u studentů za pomoci obrázků a náčrtů intuitivního pochopení významu limity posloupnosti.



Výpočty limit posloupností nebudou pro studenty právě snadnou záležitostí. Pro zvládnutí, a hlavně dobré pochopení, způsobů výpočtů většího množství typů limit by měl učitel nyní zařadit některé základní důkazové úlohy. Samozřejmě přitom může zvážit své časové možnosti a také úroveň třídy (v lepších třídách provést důkazy, ve slabších může jen konstatovat hodnoty některých důležitých limit a svá tvrzení opřít třeba o náčrty grafů posloupností).
Úloha 8.2.1
Je dána posloupnost $(\frac{3n}{n+1})^{\infty}_{n=1}$, pro niž platí $\lim\limits_{n \to \infty} \frac{3n}{n+1} = 3$. K daným hodnotám $\varepsilon \gt 0$ určete takové $n_0$, aby pro každé $n \gt n_0$ platilo $|\frac{3n}{n+1} -3| \lt \varepsilon$.
- $\varepsilon = 0,04$;
- $\varepsilon = 0,0005$

Úloha 8.2.2
Dokažte: $\lim\limits_{n \to \infty} \frac{1}{n} = 0$ $(n \in N)$.

Úloha 8.2.3
Dokažte: $\lim\limits_{n \to \infty} (\frac{1}{2})^n = 0$ $(n \in N)$.

Úloha 8.2.4
Dokažte: Je-li $q \in R$ a $|q| \lt 1$, pak $\lim\limits_{n \to \infty} q^n = 0$. $(n \in N)$.

Úloha 8.2.5
Výpočty limit posloupností jejichž n-tý člen je vyjádřen podílem dvou polynomů; využívá se vytýkání nejvyšší mocniny proměnné (případně dělení čitatele i jmenovatele nejvyšší mocninou proměnné):

Při praktickém počítání limit posloupností tohoto typu se nemusí vždy postupovat takto podrobně. Lze využít následujícího postupu:
- je-li stupeň čitatele menší než stupeň jmenovatele, je limita rovna nule (viz zadání a) );
- je-li stupeň čitatele stejný jako stupeň jmenovatele, je limita rovna podílu koeficientů při nejvyšších mocninách proměnné (viz zadání b) );
- je-li stupeň čitatele větší než stupeň jmenovatele, měl by být dodržen postup jako v zadání c).
Úloha 8.2.6
Vypočítejte limitu posloupnosti a své tvrzení dokažte: $\lim\limits_{n \to \infty} \frac{\displaystyle5n+3}{\displaystyle 2n}$?

Úloha 8.2.7
Vypočítejte:
- $\lim\limits_{n \to \infty} \frac{\displaystyle 2^{n+3}}{\displaystyle 5^n}$;
- $ \lim\limits_{n \to \infty} \frac{\displaystyle 3^n\cdot(n-0,4^n)^3}{\displaystyle n\cdot(3^n\cdot n^2 - 2n)}$;
- $\lim\limits_{n \to \infty} \frac{\displaystyle n \cdot (1-2^{-n})}{\displaystyle(3n-2)\cdot (2+3^{-n})}$

Nekonečná řada
Jako motivační úlohy se mohou učiteli hodit Zenónovy paradoxy (např. o Achillovi a želvě) – viz např. https://www.youtube.com/watch?v=XAnLkTuK8SI.
Při práci s nekonečnými řadami se studenti setkávají se znakem sumy, který je pro řadu z nich (možná dokonce pro většinu z nich) nový, nebo se s ním dosud setkávali zřídka. Některým studentům může dělat potíže. Proto by bylo dobré zařadit nyní několik úloh, v nichž by si studenti procvičili jednak zápis nekonečné geometrické řady pomocí sumy a také opačný úkol rozepsání nekonečné geometrické řady zadané pomocí sumy do podoby součtu:
Úloha 8.2.8
Rozepište pomocí součtu:
- $\sum^{\infty}_{i=1} x^{2i}$;
- $\sum^{\infty}_{i=1} \frac{\displaystyle 3}{\displaystyle 2^{i-5}}$;
- $\sum^{\infty}_{i=1} 4\cdot (x+1)^{-i}$
- $\sum^{\infty}_{i=1} [ 4\cdot (x+1)]^{-i}$

Úloha 8.2.9
Rozepište pomocí sumy:
- $3+9+27+81+\dots$;
- $x + \frac{1}{2}x + \frac{1}{4}x +\frac{1}{8}x + \frac{1}{16}x + \dots$;
- $2-4+8-16+32- \dots$;
- $\frac{3}{x^3}+ \frac{3}{x^2}+\frac{3}{x}+3+3x+3x^2+ \dots$.

Hlavní pozornost se ve středoškolské matematice věnuje nekonečné geometrické řadě a jejímu užití. Nicméně učitel může třeba hned na začátku zařadit úlohu, jejímž cílem je výpočet součtu nekonečné řady, která geometrická není. Ukáže tak studentům, jak by měli postupovat, kdyby museli k výpočtu součtu řady využít tzv. posloupnosti částečných součtů.
Úloha 8.2.10
Vypočítejte součet nekonečné řady $\sum^{\infty}_{n=1} (\frac{\displaystyle 1}{\displaystyle n \cdot (n+1)})$.

Úloha 8.2.11
Dokažte, že nekonečná harmonická řada $\sum^{\infty}_{n=1} \frac{1}{n}$ sice splňuje nutnou podmínku konvergence, tedy $\lim\limits_{n\to \infty} a_n = 0$, tato podmínka však není dostačující, a řada je divergentní.


Pozn.:
- Pokud učitel zařadí tuto úlohu do výuky, může na ní pěkně ukázat, že existují posloupnosti, jejichž limita je nulová (čímž je splněna nutná podmínka konvergence její řady), ale přesto její řada může být divergentní.
- Další příklad harmonické posloupnosti $(\frac{2}{n+1})^{\infty}_{n=1}$.
Úloha 8.2.12
Rozhodněte, zda je daná nekonečná geometrická řada (NGŘ) konvergentní nebo divergentní. U konvergentní řady vypočítejte její součet:
- $- \frac{1}{3}+\frac{1}{6}-\frac{1}{12}+\frac{1}{24}-\dots$;
- $\sqrt{2}+1+\frac{\sqrt{2}}{2}+\frac{1}{2}+\dots$;
- $2+3+\frac{9}{2}+\frac{27}{4}+\dots$;
- $\sqrt{5} - \sqrt{3}+5- \sqrt{15} + 5\sqrt{5}-5\sqrt{3}+\dots$.

Úloha 8.2.13
Řešte v R rovnici: $1+3x+9x^2+\dots = 10$.

Úloha 8.2.14
Řešte v R rovnici: $2-4x+8x^2- \dots = 1$.

Úloha 8.2.15
Řešte v R rovnici: $1+ \log x + (1+\log x)^2 + (1+ \log x)^3 + \dots=-6 \log x$.

Úloha 8.2.16
Řešte v R rovnici: $\sum^{\infty}_{i=1} ( \frac{\displaystyle 3}{\displaystyle x}) ^{i-1}=\frac{\displaystyle 4}{\displaystyle x-4}$

Úloha 8.2.17
Převeďte dané neryze periodické číslo na zlomek s celým čitatelem a celým jmenovatelem: $a=1,0\overline{15}$

Úloha 8.2.18
Do čtverce o straně $a$ je vepsán kruh. Do tohoto kruhu je opět vepsán čtverec. Do čtverce opět kruh, do kruhu čtverec, … . Vypočítejte: a) součet obvodů všech čtverců;
b) součet obvodů všechkruhů.
Zvolíme vhodně náčrt (polohy čtverců!!!)

Základní poznatky
Úloha 8.2.19
Napište definici limity dané posloupnosti a dokažte tvrzení: $\lim\limits_{n \to \infty}\frac{2}{n}=0$
Úloha 8.2.20
Vypočítejte:
- $\lim\limits_{n \to \infty}\frac{2n^2+3n}{n^3-2n}$
- $\lim\limits_{n \to \infty}\frac{\pi}{2^n}$
0; 0
Úloha 8.2.21
Rozhodněte, kdy je aritmetická posloupnost $(a_1+(n-1)d)^{\infty}_{n=1}$ divergentní.
$d \ne 0$
Úloha 8.2.22
Rozhodněte, kdy je geometrická posloupnost $(a_1\cdot q^{n-1})^{\infty}_{n=1}$ konvergentní.
$|q| \lt 1$ nebo $q = 1$
Typové příklady standardní náročnosti
Úloha 8.2.23
Vypočítejte:
- $\lim\limits_{n \to \infty} \frac{\displaystyle (n+2)(n-3)}{\displaystyle (2n+1)^2}$
- $ \lim\limits_{n \to \infty} \frac{\displaystyle 2^{n+1}}{\displaystyle 2^n +3}$
$\frac{1}{4}$; 2
Úloha 8.2.24
Dané neryze periodické číslo převeďte na zlomek $a=0,23\overline{48}$
$\frac{31}{132}$
Úloha 8.2.25
Spirála se skládá z půlkružnic. Poloměr každé následující je roven $\frac{2}{3}$ poloměru půlkružnice předcházející. Určete délku spirály, je-li poloměr první půlkružnice $r$.
$3\pi r$
Úloha 8.2.26
Řešte v R: $1 - \frac{2}{x} + \frac{4}{x^2}- \frac{8}{x^3}+ \dots = \frac{6}{x+5}$
$K= \{ -3;4 \}$
Úloha 8.2.27
Rozhodněte o konvergenci řady a vypočítejte $\sum^{\infty}_{n=1} \frac{1}{n.(n+1)}$
řada není geometrická, je konvergentní, součet je 1
Úloha 8.2.28
Prověřte konvergenci řady $\sqrt{3}-\sqrt{2}+ \frac{2\sqrt{3}}{3}-\frac{2\sqrt{2}}{3}+ \dots$ a určete její součet.
$3(\sqrt{3}-\sqrt{2})$
Úloha 8.2.29
Vypočítejte pro $x \in R: \sum^{\infty}_{n=1} - (-2)^{-n+1} x^n= \frac{4}{3}x$
$K=\{1\}$
Rozšiřující cvičení
Úloha 8.2.30
Vypočtěte:
- $\lim\limits_{n \to \infty} \frac{\displaystyle 3^n \cdot (n-0,4^n)^3}{\displaystyle n \cdot (3^n \cdot n^2-2n)}$
- $\lim\limits_{n \to \infty} \frac{\displaystyle n \cdot (1-2^{-n})}{\displaystyle (3n-2)\cdot(2+3^{-n})}$
1; $\frac{1}{6}$
Úloha 8.2.31

$S=2025\text{ } mm^2$
Úloha 8.2.32

