45.5 ลิมิตของลำดับ
ยืนห่างประตู เมตร แล้วเดินไปครึ่งหนึ่งของระยะที่เหลือทุกครั้ง ระยะที่เหลือเป็น เมตร ไม่มีครั้งไหนถึงประตูพอดี แต่ไม่ว่าจะกำหนดระยะเล็กแค่ไหน สักวันระยะที่เหลือจะน้อยกว่านั้นและน้อยกว่าตลอดไป พจน์ของลำดับอาจเข้าใกล้ค่าหนึ่งโดยไม่เคยเท่าค่านั้น ลิมิตอธิบายค่าเป้าหมายเมื่อจำนวนขั้นเพิ่มต่อไป หน้านี้จะทำให้คำว่าเข้าใกล้ชัดเจน แล้วหาลิมิตด้วยการคำนวณ โดยไม่ต้องไล่ค่าทีละพจน์
เข้าใกล้ ไม่ใช่พจน์สุดท้าย
ลองคำนวณ ที่ ใหญ่ขึ้นเรื่อยๆ
| 1 | 10 | 100 | 1000 | |
|---|---|---|---|---|
| 3 | 2.1 | 2.01 | 2.001 |
ระยะจาก คือ เล็กลงตามที่ต้องการได้ ถ้าต้องการให้ห่างจาก น้อยกว่า ก็เลือก มากกว่า ทุกพจน์หลังจากนั้นอยู่ใกล้กว่านั้นทั้งหมด ไม่ใช่แค่บางพจน์
นิยาม
ลำดับลู่เข้าสู่ เมื่อสามารถทำให้พจน์ทั้งหมดหลังดัชนีหนึ่งใกล้ ได้มากเท่าที่ต้องการ เขียน ถ้าไม่มีลิมิตจำกัดเรียกว่าลู่ออก
กราฟจุดข้างล่างเป็นของ พจน์กระโดดขึ้นลงรอบ แต่ระยะห่างจาก คือ ซึ่งเล็กลงเรื่อยๆ แถบสีเขียวคือช่วง ถึง ตั้งแต่พจน์ที่ เป็นต้นไป ทุกจุดอยู่ในแถบ ถ้าบีบแถบให้แคบลงอีก ก็แค่ต้องเริ่มที่ดัชนีที่ไกลขึ้น ลำดับนี้จึงลู่เข้าสู่
ลิมิตพื้นฐานและทฤษฎีบทลิมิต
ลิมิตที่ใช้เป็นฐานมีสามแบบ ลำดับคงตัว มีลิมิต ลำดับ มีลิมิต และ เมื่อ ลำดับอื่นที่ซับซ้อนกว่าสร้างจากสามแบบนี้ด้วยการบวก ลบ คูณ หาร จึงใช้ทฤษฎีบทต่อไปนี้
ทฤษฎีบทลิมิต
ถ้า และ โดยที่ และ เป็นจำนวนจริง และ เป็นค่าคงตัว
- และ
- เมื่อ
เงื่อนไขสำคัญคือทั้งสองลำดับต้องลู่เข้าก่อน ลำดับเศษส่วนพหุนามอย่าง ทั้งเศษและส่วนโตไม่สิ้นสุด ใช้ทฤษฎีบทผลหารตรงๆ ไม่ได้ ต้องหารทั้งเศษและส่วนด้วยกำลังสูงสุดของ ในตัวส่วนก่อน ทุกพจน์จะกลายเป็นค่าคงตัวหรือรูป ที่เข้าใกล้ศูนย์
ตัวอย่าง 1
หา
- กำลังสูงสุดในตัวส่วนคือ หารทั้งเศษและส่วนด้วย ได้ ค่าของเศษส่วนไม่เปลี่ยน เพราะหารด้วยจำนวนเดียวกัน
- ตอนนี้เศษเข้าใกล้ และส่วนเข้าใกล้ ซึ่งไม่ใช่ศูนย์ ใช้ทฤษฎีบทผลหารได้ ลิมิตคือ
ตัวอย่าง 2
หา
- กำลังสูงสุดในตัวส่วนคือ หารทุกพจน์ด้วย ได้
- และ เศษเข้าใกล้ ส่วนเข้าใกล้
- ลิมิตคือ สังเกตว่าคำตอบคืออัตราส่วนของสัมประสิทธิ์หน้ากำลังสูงสุด เมื่อเศษกับส่วนมีดีกรีเท่ากัน
ตัวอย่าง 3
หา
- ดีกรีของเศษน้อยกว่าของส่วน หารทุกพจน์ด้วย ได้
- เศษเข้าใกล้ ส่วนเข้าใกล้ จึงได้ลิมิต ตัวส่วนโตเร็วกว่าตัวเศษ
ลองคิดก่อน
เพื่อนหา โดยบอกว่าเศษเป็นอนันต์ ส่วนก็เป็นอนันต์ อนันต์หารอนันต์เท่ากับ ถูกไหม
ดูคำตอบ
ไม่ถูก อนันต์ไม่ใช่จำนวนจริง จึงหารกันไม่ได้ และทฤษฎีบทผลหารใช้ได้เฉพาะเมื่อทั้งสองลำดับมีลิมิตเป็นจำนวนจริง ตัวอย่างที่ 2 ให้คำตอบ ส่วน ก็เป็นอนันต์หารอนันต์ แต่ไม่มีลิมิตจำกัด รูปอนันต์หารอนันต์จึงบอกอะไรไม่ได้ ต้องจัดรูปก่อน
ตัวอย่าง 4
หา
- ฐานของพจน์ยกกำลังมีค่าสัมบูรณ์ น้อยกว่าหนึ่ง จึงเข้าใกล้ศูนย์ ขนาดของ คือ ส่วนเครื่องหมายสลับไปมา
- ทฤษฎีบทผลบวกให้ลิมิต ลำดับสลับอยู่เหนือและใต้ แต่เข้าใกล้
ลำดับที่ลู่ออก
ลำดับลู่ออกได้สองแบบ แบบแรกโตไม่มีขอบเขต เช่น หรือ เขียนว่า ได้ แต่ ไม่ใช่จำนวนจริง ลำดับนี้จึงยังนับว่าลู่ออก แบบที่สองแกว่งไม่ยอมเลือกค่าเดียว เช่น ซึ่งเป็น พจน์มีขอบเขตแต่ไม่เข้าใกล้ค่าใดค่าหนึ่ง
ตัวอย่าง 5
ลำดับ ลู่เข้าหรือลู่ออก
- ดีกรีของเศษมากกว่าของส่วน หารทุกพจน์ด้วย ซึ่งเป็นกำลังสูงสุดในตัวส่วน ได้
- ส่วนเข้าใกล้ แต่เศษมีพจน์ ที่โตไม่สิ้นสุด ลำดับจึงโตไม่มีขอบเขตและลู่ออก
- ตรวจด้วยค่าตัวอย่าง ประมาณ และ ประมาณ โตตาม จริง
ลำดับเพิ่มแต่มีขอบเขต
การลู่เข้าไม่บังคับว่าต้องเท่าลิมิตสักครั้ง ลำดับที่เพิ่มและมีขอบเขตบนสามารถเข้าใกล้ขอบเขตที่เล็กที่สุดโดยไม่แตะ ในทางกลับกัน การมีขอบเขตอย่างเดียวไม่พอ เช่นลำดับสลับบวกหนึ่งลบหนึ่งไม่เลือกค่าเป้าหมายเดียวกัน ต้องตรวจทั้งพฤติกรรมและค่าที่เข้าใกล้
ตัวอย่าง 6
พิจารณา เมื่อ
- พจน์ต้นเป็น เพิ่มและน้อยกว่าหนึ่งเสมอ
- จึงได้
- ระยะจากหนึ่งคือ ถ้าต้องการให้น้อยกว่า ให้เลือก
ลองคิดก่อน
ลำดับที่เพิ่มขึ้นทุกครั้งต้องมีลิมิตจำกัดหรือไม่
ดูคำตอบ
ไม่จำเป็น ลำดับจำนวนเต็มบวกเพิ่มขึ้นไม่สิ้นสุด แต่ถ้าเพิ่มขึ้นและมีขอบเขตบนจึงรับรองว่ามีลิมิตจำกัดได้ เช่น
ตรวจวิธีคิด
การคำนวณพจน์ต้นช่วยเดา แต่ไม่ใช่หลักฐานสำหรับทุกดัชนี การเขียนความต่างกับลิมิตเป็นสูตรแล้วควบคุมขนาดได้ช่วยยืนยันข้อสรุปโดยไม่ต้องคำนวณทุกพจน์
สรุป
- อนันต์ไม่ใช่ดัชนีของพจน์สุดท้าย ลู่เข้าแปลว่าทุกพจน์หลังดัชนีหนึ่งอยู่ใกล้ลิมิตได้ตามต้องการ
- ทฤษฎีบทลิมิตใช้ได้เมื่อทุกส่วนลู่เข้า ลำดับเศษส่วนพหุนามให้หารด้วยกำลังสูงสุดของตัวส่วนก่อน
- ดีกรีเศษน้อยกว่าส่วนได้ เท่ากันได้อัตราส่วนสัมประสิทธิ์นำ มากกว่าลู่ออก
- พจน์กำลังฐานขนาดน้อยกว่าหนึ่งเข้าใกล้ศูนย์
- การแกว่งไม่แปลว่าลู่ออกเสมอ ต้องดูขนาดการแกว่ง
หน้าถัดไปใช้ลิมิตกับผลรวม ผลรวมของพจน์ไม่สิ้นสุดจะมีค่าได้ก็ต่อเมื่อลำดับของผลรวมย่อยลู่เข้า