Il cuore del capitolo: la definizione rigorosa di limite di una successione, con i suoi tre quantificatori nidificati. Si distinguono successioni convergenti (limite finito), divergenti (limite infinito) e indeterminate, si raccolgono i limiti tipici di riferimento e si enuncia l’algebra dei limiti, con l’avvertenza sulle forme indeterminate.

The heart of the chapter: the rigorous definition of the limit of a sequence, with its three nested quantifiers. Convergent sequences (finite limit), divergent sequences (infinite limit) and indeterminate sequences are distinguished, the typical reference limits are collected, and the algebra of limits is stated, with the warning about indeterminate forms.

L’idea centrale del capitolo è quella di limite: verso quale numero si “accumulano” i termini di una successione.

Definizione — Limite finito

Si dice che la successione (an)(a_n) ha limite LRL\in\mathbb{R} (e si scrive limn+an=L\lim_{n\to+\infty}a_n = L, o più brevemente anLa_n\to L) se per ogni ε>0\varepsilon>0 esiste un indice n0Nn_0\in\mathbb{N} tale che anL<ε|a_n - L|<\varepsilon per ogni nn0n\ge n_0.

Una successione che ammette limite finito si dice convergente.

Osservazione — Lettura

“Per quanto piccolo ε\varepsilon tu scelga, da un certo n0n_0 in poi tutti i termini sono a distanza minore di ε\varepsilon da LL.” I termini si accumulano attorno a LL, lasciandone fuori al più un numero finito.

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Argomenti: Successioni
Concetti: Limite di successione · Successione convergente
Metodi: Successione limite
Competenze: Calcolare limiti

The central idea of the chapter is that of the limit: towards which number do the terms of a sequence “accumulate”.

Definition — Finite limit

The sequence (an)(a_n) is said to have limit LRL\in\mathbb{R} (and one writes limn+an=L\lim_{n\to+\infty}a_n = L, or more briefly anLa_n\to L) if for every ε>0\varepsilon>0 there exists an index n0Nn_0\in\mathbb{N} such that anL<ε|a_n - L|<\varepsilon for every nn0n\ge n_0.

A sequence that admits a finite limit is said to be convergent.

Observation — Reading

“However small an ε\varepsilon you choose, from a certain n0n_0 onwards all the terms are at a distance less than ε\varepsilon from LL.” The terms accumulate around LL, leaving out at most a finite number of them.

Topics: Sequences
Concepts: Limit of a sequence · Convergent sequence
Methods: Limit of a sequence
Skills: Compute limits

La definizione di limite è un esercizio di logica: tre quantificatori in un ordine preciso, che non si può cambiare.

Osservazione — Lettura linguistica: εn0nn0\forall\varepsilon\,\exists n_0\,\forall n\ge n_0

La definizione di limite ha tre quantificatori nidificati nell’ordine "εn0nn0\forall\varepsilon\,\exists n_0\,\forall n\ge n_0". L’ordine non si può scambiare: "n0ε\exists n_0\,\forall\varepsilon" sarebbe falso (nessun singolo n0n_0 basta per tutti gli ε\varepsilon). Il valore n0n_0 dipende da ε\varepsilon: più piccolo è ε\varepsilon, più grande sarà (in generale) n0n_0.

La negazione di "anLa_n\to L" è quindi ”ε>0n0nn0\exists\varepsilon>0\,\forall n_0\,\exists n\ge n_0 tale che anLε|a_n-L|\ge\varepsilon”: esiste un livello ε\varepsilon che la successione continua a oltrepassare per indici arbitrariamente grandi (Esty).

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Argomenti: Successioni
Concetti: Limite di successione · Quantificatori

The definition of a limit is an exercise in logic: three quantifiers in a precise order, which cannot be changed.

Observation — Linguistic reading: εn0nn0\forall\varepsilon\,\exists n_0\,\forall n\ge n_0

The definition of a limit has three nested quantifiers in the order "εn0nn0\forall\varepsilon\,\exists n_0\,\forall n\ge n_0". The order cannot be swapped: "n0ε\exists n_0\,\forall\varepsilon" would be false (no single n0n_0 suffices for all ε\varepsilon). The value n0n_0 depends on ε\varepsilon: the smaller ε\varepsilon is, the larger (in general) n0n_0 will be.

The negation of "anLa_n\to L" is therefore ”ε>0n0nn0\exists\varepsilon>0\,\forall n_0\,\exists n\ge n_0 such that anLε|a_n-L|\ge\varepsilon”: there exists a level ε\varepsilon that the sequence keeps exceeding for arbitrarily large indices (Esty).

Topics: Sequences
Concepts: Limit of a sequence · Quantifiers

Oltre al caso convergente, una successione può crescere senza limite oppure non stabilizzarsi affatto.

Definizione — Limite infinito

an+a_n\to+\infty se per ogni M>0M>0 esiste n0n_0 tale che an>Ma_n > M per ogni nn0n\ge n_0. Analogamente ana_n\to-\infty. Una successione con limite infinito si dice divergente.

Se invece (an)(a_n) non ammette limite (né finito né infinito) si dice indeterminata (o oscillante).

Riassumendo, una successione può essere di tre tipi: convergente (limite finito), divergente (limite ±\pm\infty) oppure indeterminata (nessun limite).

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Argomenti: Successioni
Concetti: Limite di successione · Successione divergente · Successione indeterminata

Beyond the convergent case, a sequence may grow without bound or fail to settle down at all.

Definition — Infinite limit

an+a_n\to+\infty if for every M>0M>0 there exists n0n_0 such that an>Ma_n > M for every nn0n\ge n_0. Similarly ana_n\to-\infty. A sequence with an infinite limit is said to be divergent.

If instead (an)(a_n) admits no limit (neither finite nor infinite) it is said to be indeterminate (or oscillating).

To sum up, a sequence can be of three types: convergent (finite limit), divergent (limit ±\pm\infty) or indeterminate (no limit).

Topics: Sequences
Concepts: Limit of a sequence · Divergent sequence · Indeterminate sequence

Alcuni limiti ricorrono così spesso da essere utili come riferimento immediato.

Esempio — Limiti tipici

  • an=1/n0a_n = 1/n \to 0.
  • an=n+a_n = n \to +\infty.
  • an=(1)na_n = (-1)^n: indeterminata (alterna +1,1+1, -1).
  • an=qna_n = q^n (progressione geometrica): se q<1|q|<1 tende a 00; se q=1q = 1 è costante =1= 1; se q>1q>1 tende a ++\infty; se q1q\le -1 è indeterminata.
  • an=n!/nn0a_n = n!/n^n \to 0 (il fattoriale cresce meno di nnn^n).

Il caso qnq^n è particolarmente importante: la potenza nn-esima della ragione governa il comportamento di ogni progressione geometrica.

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Argomenti: Successioni
Concetti: Limite di successione · Progressione geometrica
Competenze: Calcolare limiti · Ragionare per casi

Some limits recur so often that they are useful as an immediate reference.

Example — Typical limits

  • an=1/n0a_n = 1/n \to 0.
  • an=n+a_n = n \to +\infty.
  • an=(1)na_n = (-1)^n: indeterminate (alternates +1,1+1, -1).
  • an=qna_n = q^n (geometric progression): if q<1|q|<1 it tends to 00; if q=1q = 1 it is constant =1= 1; if q>1q>1 it tends to ++\infty; if q1q\le -1 it is indeterminate.
  • an=n!/nn0a_n = n!/n^n \to 0 (the factorial grows less than nnn^n).

The case qnq^n is particularly important: the nn-th power of the common ratio governs the behaviour of every geometric progression.

Topics: Sequences
Concepts: Limit of a sequence · Geometric progression
Skills: Compute limits · Reason by cases

I limiti di successioni si combinano seguendo le stesse regole valide per i limiti di funzioni.

Proprietà — Algebra dei limiti per successioni

Se anaa_n\to a e bnbb_n\to b (entrambi finiti), allora: an+bna+b,anbnab,anbnab (se b0).a_n + b_n \to a+b, \qquad a_n\cdot b_n \to a\cdot b, \qquad \frac{a_n}{b_n}\to\frac{a}{b}\ \text{(se }b\ne 0\text{)}.

Le forme indeterminate 00\dfrac{0}{0}, \dfrac{\infty}{\infty}, \infty-\infty, 00\cdot\infty richiedono manipolazioni (gerarchia degli infiniti, scomposizione, razionalizzazione, …) esattamente come per i limiti di funzioni.

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Argomenti: Successioni
Concetti: Algebra dei limiti · Forma indeterminata · Limite di successione
Competenze: Calcolare limiti

Limits of sequences combine following the same rules valid for limits of functions.

Property — Algebra of limits for sequences

If anaa_n\to a and bnbb_n\to b (both finite), then: an+bna+b,anbnab,anbnab (se b0).a_n + b_n \to a+b, \qquad a_n\cdot b_n \to a\cdot b, \qquad \frac{a_n}{b_n}\to\frac{a}{b}\ \text{(se }b\ne 0\text{)}.

The indeterminate forms 00\dfrac{0}{0}, \dfrac{\infty}{\infty}, \infty-\infty, 00\cdot\infty require manipulations (hierarchy of infinities, factorisation, rationalisation, …) exactly as for limits of functions.

Topics: Sequences
Concepts: Algebra of limits · Indeterminate form · Limit of a sequence
Skills: Compute limits