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Lección 49 — Límite de sucesiones (formalizado)

Definición rigurosa de límite de sucesión. Convergencia, divergencia. Bolzano-Weierstrass, Cauchy, monótona acotada.

Used in: 2.º ano do programa (17 anos) · Equiv. Math III japonês cap. 6 · Equiv. Klasse 12 LK Análise alemã · Equiv. H2 Math singapurense — Sequences & Series

limnan=L    ε>0,NN:nNanL<ε\lim_{n \to \infty} a_n = L \iff \forall \varepsilon > 0, \exists N \in \mathbb{N} : n \geq N \Rightarrow |a_n - L| < \varepsilon
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Rigorous notation, full derivation, hypotheses

Sucesiones, convergencia y teoremas

Teoremas clave

TeoremaEnunciado
UnicidadEl límite, si existe, es único
Aritméticalim(an±bn)=liman±limbn\lim(a_n \pm b_n) = \lim a_n \pm \lim b_n, etc.
Sándwichanbncna_n \leq b_n \leq c_n, liman=limcn=Llimbn=L\lim a_n = \lim c_n = L \Rightarrow \lim b_n = L
Monótona acotadaCreciente acotada superiormente converge
Bolzano-WeierstrassSucesión acotada tiene subsucesión convergente
Cauchyana_n converge     \iff es de Cauchy

Cauchy

En R\mathbb{R}: Cauchy     \iff convergente (completitud). En Q\mathbb{Q}: no toda Cauchy converge (ana_n aproximando 2\sqrt 2).

Monotonía + acotación

  • (an)(a_n) creciente y acotada superiormente \Rightarrow converge a supan\sup a_n.
  • (an)(a_n) decreciente y acotada inferiormente \Rightarrow converge a infan\inf a_n.

Subsucesiones

(ank)(a_{n_k}) es subsucesión de (an)(a_n) si n1<n2<n_1 < n_2 < \ldots. liman=Llimank=L\lim a_n = L \Rightarrow \lim a_{n_k} = L para toda subsucesión.

Sucesiones divergentes

  • an=(1)na_n = (-1)^n: oscila entre 1-1 y 11. Las subsucesiones convergen (a ±1\pm 1), pero ana_n no.
  • an=na_n = n: crece sin límite (+\to +\infty).
  • an=nsin(n)a_n = n \sin(n): comportamiento irregular, sin límite.

Sucesiones recursivas

an+1=f(an)a_{n+1} = f(a_n), a0a_0 dado. El límite, si existe, es punto fijo de ff: L=f(L)L = f(L).

Exercise list

42 exercises · 10 with worked solution (25%)

Application 30Understanding 3Modeling 6Proof 3
  1. Ex. 49.1ApplicationAnswer key
    lim1/n\lim 1/n. Demuéstralo vía ε-N: para \eps\eps, N=1/\epsN = \lceil 1/\eps \rceil.
  2. Ex. 49.2Application
    lim(n+1)/n\lim (n+1)/n. (Resp.: 1.)
  3. Ex. 49.3Application
    lim(2n2)/(n2+1)\lim (2n^2)/(n^2 + 1). (Resp.: 2.)
  4. Ex. 49.4Application
    lim(1)n\lim (-1)^n: ¿converge?
  5. Ex. 49.5Application
    lim(1)n/n\lim (-1)^n/n.
  6. Ex. 49.6Application
    limsin(n)/n\lim \sin(n)/n vía sándwich.
  7. Ex. 49.7Application
    lim(1+1/n)n=e\lim (1 + 1/n)^n = e.
  8. Ex. 49.8Application
    limnk/an\lim n^k / a^n para a>1a > 1. (Resp.: 0.)
  9. Ex. 49.9Application
    liman/n!\lim a^n/n! para a>0a > 0. (Resp.: 0.)
  10. Ex. 49.10ApplicationAnswer key
    limn1/n\lim n^{1/n}. (Resp.: 1.)
  11. Ex. 49.11Application
    a1=1,an+1=(an+2/an)/2a_1 = 1, a_{n+1} = (a_n + 2/a_n)/2. ¿liman=?\lim a_n = ? (Resp.: 2\sqrt 2.)
  12. Ex. 49.12Application
    Sucesión armónica Hn=1+1/2++1/nH_n = 1 + 1/2 + \ldots + 1/n: ¿converge?
  13. Ex. 49.13ApplicationAnswer key
    limcos(nπ)/n\lim \cos(n\pi)/n. (Resp.: 0.)
  14. Ex. 49.14Application
    limn!/nn\lim n!/n^n. (Resp.: 0.)
  15. Ex. 49.15Application
    lim(n!)1/n/n\lim (n!)^{1/n}/n. (Resp.: 1/e1/e, vía Stirling.)
  16. Ex. 49.16Application
    lim(3n+4n)1/n\lim (3^n + 4^n)^{1/n}. (Resp.: 4.)
  17. Ex. 49.17ApplicationAnswer key
    limnsin(1/n)\lim n \sin(1/n). (Resp.: 1.)
  18. Ex. 49.18Application
    lim(lnn)/n\lim (\ln n)/n.
  19. Ex. 49.19Application
    lim(n+1n)\lim (\sqrt{n+1} - \sqrt n). (Resp.: 0.)
  20. Ex. 49.20ApplicationAnswer key
    limn(n+1n)\lim n(\sqrt{n+1} - \sqrt n). (Resp.: 1/21/2.)
  21. Ex. 49.21Application
    an+1=2+ana_{n+1} = \sqrt{2 + a_n}, a0=1a_0 = 1. Demuestra que converge y calcula LL. (Resp.: 2.)
  22. Ex. 49.22Application
    an+1=(an+3)/2a_{n+1} = (a_n + 3)/2, a0=0a_0 = 0. Calcula LL. (Resp.: 3.)
  23. Ex. 49.23Application
    an+1=an2/2a_{n+1} = a_n^2/2, a0=1a_0 = 1. ¿Converge?
  24. Ex. 49.24Application
    Fibonacci normalizado: fn+1/fnφ=(1+5)/2f_{n+1}/f_n \to \varphi = (1+\sqrt 5)/2. Demuéstralo.
  25. Ex. 49.25Application
    an=k=1n1/k2a_n = \sum_{k=1}^n 1/k^2. ¿Converge? (Resp.: Sí, a π2/6\pi^2/6.)
  26. Ex. 49.26ApplicationAnswer key
    an=k=1n1/ka_n = \sum_{k=1}^n 1/k. ¿Converge? (Resp.: No, la armónica diverge.)
  27. Ex. 49.27ApplicationAnswer key
    Demuestra que una sucesión creciente y acotada superiormente es Cauchy.
  28. Ex. 49.28Application
    Demuestra que an=na_n = n no es Cauchy.
  29. Ex. 49.29Application
    Demuestra que an=(1)na_n = (-1)^n tiene dos subsucesiones convergentes (a 11 y 1-1).
  30. Ex. 49.30Application
    an=(1+1/n)n+1a_n = (1 + 1/n)^{n+1}: ¿límite? ¿Diferencia con (1+1/n)n(1 + 1/n)^n?
  31. Ex. 49.31Modeling
    Iteración de Newton para 5\sqrt 5: an+1=(an+5/an)/2a_{n+1} = (a_n + 5/a_n)/2. Calcula a5a_5 a partir de a0=2a_0 = 2.
  32. Ex. 49.32Modeling
    En ML, gradient descent: wn+1=wnαf\mathbf{w}_{n+1} = \mathbf{w}_n - \alpha \nabla f. Converge si α<2/L\alpha < 2/L, LL Lipschitz constant.
  33. Ex. 49.33Modeling
    Capitalización continua: Vn=V0(1+r/n)nV_n = V_0 (1 + r/n)^n, VnV0erV_n \to V_0 e^r: límite fundamental.
  34. Ex. 49.34Modeling
    Decaimiento radiactivo discreto: Nn+1=Nn(1λΔt)N_{n+1} = N_n (1 - \lambda \Delta t). Límite continuo.
  35. Ex. 49.35Modeling
    Distribución binomial \to Poisson: (nk)pk(1p)nk\binom{n}{k} p^k (1-p)^{n-k} con np=λnp = \lambda fijo, nn \to \infty. Resultado.
  36. Ex. 49.36ModelingAnswer key
    Mapa logístico xn+1=rxn(1xn)x_{n+1} = r x_n (1 - x_n). Para r=2r = 2, calcula límite. ¿Para r=3,5r = 3{,}5? (Resp.: ciclo de 4.)
  37. Ex. 49.37Understanding
    Demuestra lim1/n=0\lim 1/n = 0 vía ε-N.
  38. Ex. 49.38Understanding
    Demuestra que monótona creciente y acotada converge.
  39. Ex. 49.39UnderstandingAnswer key
    Demuestra que toda Cauchy es acotada.
  40. Ex. 49.40Proof
    Demuestra la unicidad del límite.
  41. Ex. 49.41ProofAnswer key
    Demuestra el teorema del sándwich para sucesiones.
  42. Ex. 49.42Proof
    Demuestra Bolzano-Weierstrass: una sucesión acotada en R\mathbb{R} tiene subsucesión convergente.

Fuentes

Updated on 2026-04-30 · Author(s): Clube da Matemática

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