Category: Analysis

Absolute convergence


Cho \displaystyle (u_n)_{n\geq 1} là một dãy các số thực. Chuỗi \displaystyle\sum_{n=1}^{+\infty}u_n được gọi là hội tụ tuyệt đối nếu chuỗi \displaystyle\sum_{n=1}^{+\infty}\mid u_n\mid hội tụ. Chuỗi \displaystyle\sum_{n=1}^{+\infty}u_n được gọi là hội tụ có điều kiện nếu nó hội tụ nhưng không hội tụ tuyệt đối. Trong bài trước (xem [1]) ta đã biết chuỗi điều hòa thay phiên là một chuỗi hội tụ có điều kiện. Theo tiêu chuẩn Cauchy, mọi chuỗi hội tụ tuyệt đối đều là chuỗi hội tụ.

Khi làm việc với các chuỗi hội tụ, ta thường muốn việc nhóm vài số hạng liên tiếp hay sắp xếp lại các số hạng sẽ không ảnh hưởng đến sự hội tụ hoặc tổng của chuỗi. Không khó khăn lắm để thấy rằng việc nhóm các số hạng liên tiếp tạo ra một chuỗi hội tụ có tổng bằng tổng của chuỗi ban đầu. Ta có kết quả quan trọng sau liên quan đến sắp xếp các số hạng của chuỗi.

Định lý 1. Cho \displaystyle (u_n)_{n\geq 1} là một dãy các số thực sao cho chuỗi \displaystyle\sum_{n=1}^{+\infty}u_n hội tụ tuyệt đối. Khi đó với mọi song ánh \displaystyle\sigma :\mathbb{N}^*\to\mathbb{N}^*, chuỗi \displaystyle\sum_{n=1}^{+\infty}u_{\sigma (n)} hội tụ và tổng của nó bằng tổng của chuỗi \displaystyle\sum_{n=1}^{+\infty}u_n.

Chứng minh. Gọi \displaystyle S là tổng của chuỗi \displaystyle\sum_{n=1}^{+\infty}u_n, và \displaystyle\epsilon là một số thực dương bất kỳ. Khi đó tồn tại số nguyên dương \displaystyle m đủ lớn sao cho \displaystyle \mid S_m-S\mid<\epsilon/2 và

\displaystyle\sum_{k=m+1}^{+\infty}\mid u_k\mid <\epsilon/2,

trong đó \displaystyle (S_n)_{n\geq 1} là dãy các tổng riêng của chuỗi \displaystyle\sum_{n=1}^{+\infty}u_n.

Xét một song ánh \displaystyle\sigma :\mathbb{N}^*\to\mathbb{N}^*. Gọi \displaystyle (T_n)_{n\geq 1} là dãy các tổng riêng của chuỗi \displaystyle\sum_{n=1}^{+\infty} u_{\sigma (n)}, và \displaystyle N là một số nguyên dương sao cho các số \displaystyle 1, \displaystyle 2, \displaystyle \ldots, \displaystyle m đều thuộc tập hợp \displaystyle\{\sigma (1),\sigma (2),\ldots,\sigma (N)\}. Với số nguyên \displaystyle n>N, ta có

\displaystyle \mid T_n-S\mid\leq \mid T_n-S_m\mid +\mid S_m-S\mid

\displaystyle\leq \sum_{k=m+1}^{+\infty}\mid u_k\mid +\mid S_m-S\mid<\epsilon/2+\epsilon/2=\epsilon.

Suy ra \displaystyle T_n\to S và ta có điều phải chứng minh. \Box

Bây giờ giả sử \displaystyle (u_n)_{n\geq 1} là một dãy các số thực sao cho chuỗi \displaystyle\sum_{n=1}^{+\infty}u_n hội tụ có điều kiện. Ta thấy có vô hạn số hạng của dãy là số dương, và có vô hạn số hạng của dãy là số âm. Gọi \displaystyle (d_i)_{i\geq 1} và (a_i)_{i\geq 1} lần lượt là dãy con tất cả các số hạng không âm và dãy con tất cả các số hạng âm của dãy \displaystyle (u_n)_{n\geq 1}. Hai chuỗi \displaystyle\sum_{n=1}^{+\infty}d_n và \displaystyle\sum_{n=1}^{+\infty}a_n đều phân kỳ. Cố định một số thực \displaystyle \alpha. Lấy ra khỏi \displaystyle (d_i) một vài số hạng đầu có tổng lớn hơn \displaystyle\alpha, sau đó lấy ra khỏi \displaystyle (a_i) một vài số hạng đầu để tổng các số được chọn (gồm cả những số được chọn từ \displaystyle (d_i)) nhỏ hơn \displaystyle \alpha. Tiếp theo, trong dãy \displaystyle (d_i) còn lại, lấy vài số hạng đầu để tổng các số được lấy (gồm cả những số được chọn từ các bước trước) lớn hơn \displaystyle\alpha, sau đó trong dãy \displaystyle (a_i) còn lại, lấy một vài số hạng đầu để tổng các số được lấy (gồm cả những số được chọn từ các bước trước) nhỏ hơn \displaystyle \alpha. Cứ tiếp tục như vậy ta có một chuỗi có tổng bằng \displaystyle\alpha. Ta đã mô tả chứng minh của kết quả sau, chi tiết có trong [2].

Định lý 2 (Định lý chuỗi Riemann). Cho \displaystyle (u_n)_{n\geq 1} là một dãy các số thực sao cho chuỗi \displaystyle\sum_{n=1}^{+\infty}u_n hội tụ có điều kiện. Khi đó với mỗi số thực \displaystyle\alpha, có song ánh \displaystyle \sigma :\mathbb{N}^*\to\mathbb{N}^* sao cho chuỗi \displaystyle \sum_{n=1}^{+\infty}u_{\sigma (n)} hội tụ và tổng của nó bằng \displaystyle \alpha.

Tài liệu tham khảo

[1] https://nttuan.org/2018/12/30/series/

[2] Walter Rudin. Principles of Mathematical Analysis. McGraw Hill, 1976.

Series


Cho \displaystyle (u_n)_{n\geq 1} là một dãy các số thực. Tổng hình thức

\displaystyle u_1+u_2+u_3+\cdots,

ký hiệu \displaystyle\sum_{n=1}^{+\infty}u_n, được gọi là một chuỗi. Với mỗi số nguyên dương \displaystyle n, số

\displaystyle S_n:=u_1+u_2+\cdots+u_n=\sum_{i=1}^nu_i

được gọi là tổng riêng thứ \displaystyle n của chuỗi \displaystyle\sum_{n=1}^{+\infty}u_n, và \displaystyle u_n được gọi là số hạng tổng quát của chuỗi. Nếu dãy các tổng riêng \displaystyle (S_n)_{n\geq 1} hội tụ đến \displaystyle S, ta nói chuỗi \displaystyle\sum_{n=1}^{+\infty}u_n là chuỗi hội tụ và \displaystyle S được gọi là tổng của chuỗi, ký hiệu \displaystyle\sum_{n=1}^{+\infty}u_n=S.

Mặc dù \displaystyle S là tổng của chuỗi, nó là giới hạn của dãy các tổng riêng, và nó không được hình thành bởi việc cộng liên tiếp các số hạng của dãy số \displaystyle (u_n)_{n\geq 1}.

Ví dụ 1. Chuỗi \displaystyle\sum_{n=1}^{+\infty}\frac{1}{n(n+1)} là một chuỗi hội tụ và tổng của nó bằng \displaystyle 1. \Box

Ví dụ 2. Chuỗi \displaystyle\sum_{n=1}^{+\infty}\frac{1}{n^2} là một chuỗi hội tụ vì dãy các tổng riêng của chuỗi này là một dãy số tăng và bị chặn trên bởi \displaystyle 2. \Box

Ví dụ 3. Xét chuỗi điều hòa luân phiên \displaystyle\sum_{n=1}^{+\infty}\frac{(-1)^{n-1}}{n}. Với mỗi số nguyên dương \displaystyle n, ta có

\displaystyle S_{2n}=\left(\frac{1}{1}-\frac{1}{2}\right)+\left(\frac{1}{3}-\frac{1}{4}\right)+\cdots+\left(\frac{1}{2n-1}-\frac{1}{2n}\right)

và

\displaystyle S_{2n+1}=\frac{1}{1}-\left(\frac{1}{2}-\frac{1}{3}\right)-\left(\frac{1}{4}-\frac{1}{5}\right)-\cdots-\left(\frac{1}{2n}-\frac{1}{2n+1}\right).

Do đó \displaystyle (S_{2n})_{n\geq 1} là một dãy số tăng còn \displaystyle (S_{2n+1})_{n\geq 1} là một dãy số giảm. Mặt khác, với mỗi số nguyên dương \displaystyle n,

\displaystyle 0<S_{2n}<S_{2n+1}=S_{2n}+\frac{1}{2n+1}<1,

do đó \displaystyle (S_{2n})_{n\geq 1} và \displaystyle (S_{2n+1})_{n\geq 1} là hai dãy hội tụ có cùng một giới hạn. Suy ra \displaystyle (S_n)_{n\geq 1} hội tụ, và bởi vậy chuỗi điều hòa luân phiên là chuỗi hội tụ. \Box

Nếu dãy tổng riêng \displaystyle (S_n)_{n\geq 1} phân kỳ, ta nói chuỗi \displaystyle\sum_{n=1}^{+\infty}u_n là chuỗi phân kỳ. Vì \displaystyle u_n=S_n-S_{n-1} với mọi \displaystyle n>1, nên ta có kết quả

Định lý 1. Nếu chuỗi \displaystyle\sum_{n=1}^{+\infty}u_n hội tụ thì \displaystyle\lim_{n\to +\infty} u_n=0.

Ví dụ sau chứng tỏ điều kiện \displaystyle u_n\to 0 chỉ là điều kiện cần để chuỗi hội tụ.

Ví dụ 4. Chuỗi điều hòa \displaystyle\sum_{n=1}^{+\infty}\frac{1}{n} là chuỗi phân kỳ mặc dù \displaystyle\lim_{n\to +\infty} \frac{1}{n}=0. Thật vậy, giả sử chuỗi hội tụ và \displaystyle S là tổng của nó. Khi đó

\displaystyle S=\left(\frac{1}{1}+\frac{1}{2}\right)+\left(\frac{1}{3}+\frac{1}{4}\right)+\left(\frac{1}{5}+\frac{1}{6}\right)+\cdots

\displaystyle >\left(\frac{1}{2}+\frac{1}{2}\right)+\left(\frac{1}{4}+\frac{1}{4}\right)+\left(\frac{1}{6}+\frac{1}{6}\right)+\cdots

\displaystyle =\frac{1}{1}+\frac{1}{2}+\frac{1}{3}+\cdots.

Suy ra S>S, vô lý. \Box

Áp dụng tiêu chuẩn Cauchy cho dãy các tổng riêng ta có một điều kiện cần và đủ để chuỗi hội tụ.

Định lý 2 (Tiêu chuẩn Cauchy). Cho \displaystyle (u_n)_{n\geq 1} là một dãy các số thực. Khi đó chuỗi \displaystyle\sum_{n=1}^{+\infty}u_n hội tụ khi và chỉ khi với mỗi \displaystyle \epsilon >0, tồn tại số nguyên dương \displaystyle N để

\displaystyle \left|\sum_{i=m}^nu_i\right|<\epsilon

nếu n\geq m\geq N.

Ở một số chỗ, để cho thuận tiện, ta cũng xét chuỗi \displaystyle \displaystyle \sum_{n=0}^{+\infty}u_n. Khi đó các khái niệm tương ứng được nêu theo cách tương tự.

Định lý 3. Với số thực \displaystyle q, xét chuỗi \displaystyle \sum_{n=0}^{+\infty}q^n (quy ước \displaystyle 0^0=1). Nếu \displaystyle \mid q\mid <1 thì chuỗi hội tụ và

\displaystyle \sum_{n=0}^{+\infty}q^n=\frac{1}{1-q}.

Nếu \displaystyle \mid q\mid \geq 1 thì chuỗi phân kỳ.

Subconvex sequences


Trong bài này tôi sẽ giới thiệu một lớp dãy hay gặp trong các đề thi chọn học sinh giỏi các cấp. Chứng minh định lí chính trong bài là của Adrian Sandovichi. Để theo dõi cho dễ, các em học sinh nên đọc lại bài sau:

https://nttuan.org/2023/09/15/limit-of-a-sequence/

Định nghĩa. Cho dãy số thực không âm (x_n)_{n\geq 1} và số nguyên k>0. Dãy số (x_n)_{n\geq 1} được gọi là một dãy lồi dưới cấp k nếu có các số thực \alpha_1, \alpha_2,\ldots, \alpha_k sao cho hai điều kiện sau được thỏa mãn đồng thời:

(1) \alpha_i\in (0;1),\quad \forall i=\overline{1,k} và \alpha_1+\alpha_2+\cdots+\alpha_k\leq 1.

(2) x_{n+k}\leq \alpha_1x_{n+k-1}+\alpha_2x_{n+k-2}+\cdots+\alpha_kx_n,\quad \forall n\geq 1.

Mọi dãy lồi dưới cấp 1 đều có giới hạn bằng 0. Trong định nghĩa trên, nếu dãy số (x_n) có giới hạn hữu hạn và \sum\alpha_i<1 thì \lim x_n=0.

Định lí. Cho số nguyên dương k. Khi đó mọi dãy lồi dưới cấp k đều có giới hạn hữu hạn.

Chứng minh. Gọi (x_n) là một dãy lồi dưới cấp k. Khi đó tồn tại các số thực \alpha_1, \alpha_2,\ldots, \alpha_k sao cho hai điều kiện sau được thỏa mãn đồng thời:

(1) \alpha_i\in (0;1),\quad \forall i=\overline{1,k} và \alpha_1+\alpha_2+\cdots+\alpha_k\leq 1.

(2) x_{n+k}\leq \alpha_1x_{n+k-1}+\alpha_2x_{n+k-2}+\cdots+\alpha_kx_n,\quad \forall n\geq 1.

Xét dãy số (y_n)_{n\geq 1} xác định bởi \displaystyle y_n=\max_{0\leq i\leq k-1}x_{n+i} với mọi số nguyên n>0. Ta thấy (y_n)_{n\geq 1} là một dãy số không tăng và bị chặn dưới bởi 0 nên nó có giới hạn hữu hạn không âm, đặt L=\lim y_n. Ta sẽ chứng minh (x_n) có giới hạn hữu hạn và L=\lim x_n.

Với mọi số thực dương \epsilon, cố định nó.

Đặt \displaystyle t=\min\left\{1;\frac{\alpha_1^k}{2^k(1-\alpha_1)}\right\}. Vì t>0 và L là giới hạn của dãy số không tăng (y_n) nên tồn tại số nguyên dương n_{\epsilon} để

x_n\leq y_n<L+t\epsilon\leq L+\epsilon,\quad \forall n\geq n_{\epsilon}.\quad (*)

Bây giờ ta chứng minh x_m>L-\epsilon,\quad \forall m\geq k+n_{\epsilon}.\quad (**)

Giả sử tồn tại số nguyên dương m\geq k+n_{\epsilon} sao cho x_m\leq L-\epsilon.

Mệnh đề. \displaystyle x_{m+p}\leq L-\epsilon\left(\frac{\alpha_1}{2}\right)^p,\quad \forall p=\overline{1,k-1}.

Chứng minh. Ta chứng minh bằng quy nạp theo p. Với p=1, từ (*) và cách chọn t ta có

x_{m+1} \leq \alpha_1x_m+\alpha_2x_{m-1}+\cdots+\alpha_kx_{m-k+1}

\leq\alpha_1x_m+(\alpha_2+\cdots+\alpha_k)(L+t\epsilon)

\leq\alpha_1(L-\epsilon)+(1-\alpha_1)(L+t\epsilon)

\leq L-a_1\epsilon+\left(\frac{\alpha_1}{2}\right)^k\epsilon

\leq L-a_1\epsilon+\left(\frac{\alpha_1}{2}\right)^1\epsilon

=L-\epsilon\left(\frac{\alpha_1}{2}\right).

Suy ra khẳng định đúng với p=1. Giả sử khẳng định đúng đến p<k-1, ta chứng minh nó đúng với p+1. Theo giả thiết quy nạp, (*) và cách chọn t ta có

x_{m+p+1} \leq \alpha_1x_{m+p}+\alpha_2x_{m+p-1}+\cdots+\alpha_kx_{m+p-k+1}

\leq\alpha_1\left(L-\epsilon\left(\frac{\alpha_1}{2}\right)^p\right)+(1-\alpha_1)(L+t\epsilon)

=L-a_1\epsilon \left(\frac{\alpha_1}{2}\right)^p+(1-\alpha_1)t\epsilon

\leq L-a_1\epsilon \left(\frac{\alpha_1}{2}\right)^p+\left(\frac{\alpha_1}{2}\right)^k\epsilon

\leq L-a_1\epsilon \left(\frac{\alpha_1}{2}\right)^p +\left(\frac{\alpha_1}{2}\right)^{p+1}\epsilon

=L-\epsilon\left(\frac{\alpha_1}{2}\right)^{p+1}.

Suy ra khẳng định đúng với p+1. Theo nguyên lý quy nạp toán học, mệnh đề là đúng. \Box

Continue reading “Subconvex sequences” →

Limit of a sequence


Giải tích thực là một nhánh của giải tích toán học nghiên cứu dáng điệu của dãy thực, chuỗi thực, và hàm giá trị thực. Một khái niệm trung tâm của giải tích thực là dãy hội tụ.

Định nghĩa 1. Một dãy số thực \left(u_{n}\right) hội tụ đến một số thực l, hay l là một giới hạn của dãy số (u_n), nếu với mỗi số thực dương \epsilon, tồn tại số nguyên dương N sao cho mỗi khi n \geq N, ta có \left|u_{n}-l\right|<\epsilon. Nếu một dãy số có một giới hạn ta nói nó là dãy hội tụ, nếu nó không có giới hạn, ta nói nó là dãy phân kỳ.

Để chỉ \left(u_{n}\right) hội tụ đến l, ta viết \lim u_{n}=l hoặc \lim \left(u_{n}\right) =l. Ký hiệu \displaystyle \lim _{n \rightarrow \infty} u_{n}=l cũng hay được dùng. Định nghĩa trên có thể gây rối đối với những bạn mới học giải tích, sau đây chúng tôi giới thiệu một định nghĩa khác, hình học hơn. Để làm điều này ta cần đến:

Định nghĩa 2. Cho số thực l và số thực \epsilon>0, tập

U_{\epsilon}(l)=\{x \in \mathbb{R}:|x-l|<\epsilon\} được gọi là \epsilon-lân cận của l.

Để ý rằng U_{\epsilon}(l) gồm tất cả các điểm trên trục số cách điểm l một khoảng bé hơn \epsilon. Nói cách khác, U_{\epsilon}(l) là một khoảng có tâm tại l và bán kính \epsilon.

Định nghĩa 3. Một dãy số thực \left(u_{n}\right) hội tụ đến một số thực l, hay l là một giới hạn của dãy số (u_n), nếu với mỗi \epsilon-lân cận U_{\epsilon}(l) của l, có một vị trí trong dãy mà từ đó trở đi, mọi số hạng của dãy đều thuộc U_{\epsilon}(l). Nói cách khác, mỗi \epsilon-lân cận của l đều chứa hầu hết (chỉ trừ một số hữu hạn) các số hạng của dãy (u_n).

Số N nói chung phụ thuộc vào \epsilon. Khi \epsilon càng nhỏ có thể N càng lớn. Định nghĩa giới hạn của một dãy số thực được sử dụng để kiểm tra xem một số thực l có là giới hạn của dãy hay không, nó không cho ta cách xác định giới hạn của dãy.

Ví dụ 1. Với mọi số thực a, dãy hằng a,a,a,\ldots hội tụ đến a.

Lời giải. Xét một số thực a. Ta phải chứng minh \lim u_n=a, trong đó (u_n)_{n\geq 1} là dãy số xác định bởi u_n=a với mọi số nguyên dương n. Với một số thực dương \epsilon bất kỳ, chọn N=1, ta có \mid u_n-a\mid =\mid a-a\mid =0<\epsilon,\quad\forall n\geq N. Từ đây ta có điều cần chứng minh. \Box

Ví dụ 2. Chứng minh rằng \lim\dfrac{1}{\sqrt{n}}=0.

Lời giải. Ta phải chứng minh \lim u_n=0, trong đó (u_n)_{n\geq 1} là dãy số xác định bởi u_n=\dfrac{1}{\sqrt{n}} với mọi số nguyên dương n. Với một số thực dương \epsilon bất kỳ, chọn N=2+[1/\epsilon^2], ta có \mid u_n-0\mid =\frac{1}{\sqrt{n}}<\epsilon,\quad\forall n\geq N. Từ đây ta có điều cần chứng minh. \Box

Ví dụ 3. Chứng minh rằng \lim\dfrac{n+1}{n}=1.

Lời giải. Ta phải chứng minh \lim u_n=1, trong đó (u_n)_{n\geq 1} là dãy số xác định bởi u_n=\dfrac{n+1}{{n}} với mọi số nguyên dương n. Với một số thực dương \epsilon bất kỳ, chọn N=2+[1/\epsilon], ta có \mid u_n-1\mid =\frac{1}{{n}}<\epsilon,\quad\forall n\geq N. Từ đây ta có điều cần chứng minh. \Box

Continue reading “Limit of a sequence” →