مواضيع المحاضرة: BOUNDED AND MONTONIC SEQUENCES
background image

Lecture no.2-2                                                                                by Hussein J. AbdulHussein 

Advanced Calculus I I                                               Al Muthanna University, College of Science                  
 

 

BOUNDED AND MONTONIC SEQUENCES 

There are certain kinds of sequences that have special properties worthy of mention.  

Definition 1 BOUNDEDNESS 

        

(i)  The sequence {a

n

}    is bounded above if there a number M

1

 such that 

a

n

≤  M

1

                                                                                                                                              (1) 

For every positive integer n  

             

(ii)  It is bounded  below  if there is  number M

2

  such  that  

 M

2

≤    a

2

                                                                                                                                              (2) 

For every positive integer n. 

        

(iii)  It is bounded  below  if there is  number M > 0  such  that 

|a

n

| ≤ M 

For every positive integer n  

The numbers

 M

1

 ,

  M

2

  , and 

M are called ,respectively , an upper  bounded , a lower bounded , 

and  abound  for 

 {a

n

}     

                

(iv) If the sequence is not bounded, it is called unbounded 

REMARK.  If

 {a

n

}   is bounded above and below, then it is bounded. Simply set M =

max{ | M

1

|. |  M

2

EXAMPLE 1     The sequence

  {sin  n} has the upper bound of 1, the lower bound of -1 and the 

bound of 1 since  

−1 ≤ sin n   ≤ 1 for every n Of course, any number greater than 1 is also a 

bound 

EXAMPLE  2     The  sequence

{(−1)

n

}  has the  upper  bound  1,  the  lower bound   -1 , and  

the  bound 1. 

EXAMPLE  3   The sequence

(2)

n

 is bounded  below by  2 but  has  no  upper  bound and  so is  

un bounded . 

EXAMPLE  4  The sequence

{(−1)

n

2

n

} is bounded   neither below  nor  above  

         It turns out that the following statement is true: Every convergent sequence is abounded. 

 


background image

Lecture no.2-2                                                                                by Hussein J. AbdulHussein 

Advanced Calculus I I                                               Al Muthanna University, College of Science                  
 

 

Theorem 1.  If the sequence

 {a

n

}    is convergent, then it is bounded  

Proof.  Before giving the technical details, we remark that the idea behind the proof is easy. For 
if

lim

n→∞

a

n

= L .  thena

n

  is close to the finite number L if n is large Thus ,  for example |

a

n

| ≤

|L| + 1 if n  is large  enough . Since  a

n

 is a real number for every n, the first few terms of the 

sequence  are  bounded , and  these  two  facts  give us  abound for  the  entire sequence  

             Now to the details Let

  ∈= 1 Then there is an  N > 0 such that  

|a

n

− L| < 1           if  n ≥ N                                                                                                    (3) 

Let  

K = max{|a

1

|. |a

2

|. ⋯ . |a

N

|}                                                                                                  (4) 

Since each is finite, K, being the maximum of a finite number of terms, is also finite. Now let   

M = max{ |L| + 1. K}                                                                                                                     (5)  

It follows from (4) that  if 

n ≤ N  .   then|a

n

| ≤ K if  n ≥ N    then  from(3) , |a

n

| < |L| + 1; so  

in either  case |

a

n

| ≤ M.  and the  theorem  is proved  

Sometimes it is difficult to find a bound for a convergent sequence.  

EXAMPLE  5  Find an M such  that  

5

n

n!

≤ M 

         Solution.   We  know  from Theorem  13.2.3 that 

lim

n→∞

x

n

n!

= 0 for every  real number x  In  

particular ,

 

5

n

n!

 is convergent  and  therefore  must  be  bounded  Perhaps  the  easiest  way  to find  

the bound  is to  tabulate  a few values , an in  Table  1. It is clear from the table that the  
maximum value of  

a

n

occurs at

n = 4 or n = 5 and   is equal  to  26.04. Of course, any number 

larger than 26.04.  is also abound for the sequence. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

    

  Since every convergence is bounded, it follows that: 

(a)      {In In n}    (starting  at  n = 2)        (b)     {n sin n}            (c)         {(−√2)

n

The convergent.  Of Theorem 1 is not true. That is, it is not true that every bounded sequence is 
convergent. For example, the sequences 

{(−1)

n

} and {sin n } are both bounded and divergent. 


background image

Lecture no.2-2                                                                                by Hussein J. AbdulHussein 

Advanced Calculus I I                                               Al Muthanna University, College of Science                  
 

 

Since boundedness alone does not ensure convergence, we need some other property. We 
investigate this idea now 

Definition 2 MONOTONICITY 

         

(i)  The sequence {a

n

} is monotone increasing  if a

n

≤ a

n+1

 for  every 

n ≥ 1  

        

(ii)  The sequence {a

n

} is monotone decreasing  if a

n

≥ a

n+1

 for  every 

n ≥ 1  

       

(iii)   The sequence {a

n

} is monotonic if it is  either monotone increasing or  monotone 

decreasing  

Definition 3   STRICT MONOTONCITY 

         (

i)  The sequence {a

n

} is monotone increasing  if a

n

< a

n+1

 for  every 

n ≥ 1 

         (

ii)  The sequence  {a

n

}  strictly decreasing  if  a

n

≥ a

n+1

 for  every 

n ≥ 1 

        (

iii)  The sequence  {a

n

}  strictly monotonic if  it is  either strictly increasing or  strictly  

decreasing 

EXAMPLE  7       The  sequence

{1/2

n

}  is strictly  decreasing since1/2

n

> 1/2

n+1

  for  every  

EXAMPLE 8   Determine whether the sequence 

{2n/(3n + 2 )} is increasing, decreasing, or not 

monotonic 

       Solution   If we write out the first few terms of the sequence, we find that

{

2n

3n+2 

} =

{

2

5

.

4

8

.

6

11

.

8

14

.

10

17

.

12

20

. ⋯ }  Since these terms are strictly increasing, we suspect that {2n/(3n + 2 )} 

is an increasing sequence To check this, we try to verify that

  a

n

< a

n+1

 We have 

a

n+1

=

2(n + 1)

3(n + 1) + 2

=

2n + 2
3n + 5

  

Ther a

n

< a

n+1

  implies that  

2n

3n + 2

<

2n + 2
3n + 5

  

Multiplying  both  sides of this inequality  by

 (3n + 2)(3n + 5).  we obtain  

(2n)(3n + 5) < (2n + 2)( 3n + 2).          or         6n

2

+ 10n  < 6n

2

+ 10n + 4  

Since this last inequality is obviously true for all

n  ≥ 1. we can reverse our steps to conclude that 

  a

n

< a

n+1

and the sequence is strictly increasing  


background image

Lecture no.2-2                                                                                by Hussein J. AbdulHussein 

Advanced Calculus I I                                               Al Muthanna University, College of Science                  
 

 

EXAMPLE   9    Determine whether the sequence

{(In n)/n}  n > 1   is increasing, decreasing, 

or not monotonic  

     Solution. Let 

f (x) =

Inx

x

.  Then f

(x) =

[x(

1
x

)−(In  x)1]

x

2

=

1−In x

x

2

 If  x  > e .  then   In x > 1  

and

f

(x) < 0  Thus  the  sequence {

In n

n

} is decreasing  for n ≥ 3However,

In 1

1

= 0 <

(In 2)

2

≈ 0 ∙

35 so initially , the sequence is increasing  Thus the  sequence is not  monotone It is  decreasing 
if we  star with  

n = 3   

EXAMPLE 10   The sequence is increasing but not strictly increasing. Here [x] is the  ''greatest 
integer'' function (see Example 2.2.11) The first  twelve  terms  are  0,0,0,1,1,1,1,2,2,2,2,3 For  

example ,

 a

9

= [

9

4

] = 2 

 EXAMPLE 11  The  sequence

{(−1)

n

} is not monotonic  since  successive terms  oscillate 

between 

+1 and − 1 

In all the examples we have given, a divergent sequence diverges for one of two reasons: It goes 
to infinity (it is unbounded) or it oscillates 

[ like (−1)

n

 .  which oscillates between−1 and 1 ]  

But if a sequence, then it does not oscillate. Thus the following theorem should not be surprising 

Theorem 2 :A bounded monotonic sequence is convergent  

Proof.  We will prove this theorem for the case in which the sequence

 {a

n

} is increasing. The 

proof of the other case is similar. Since {

a

n

}  is bounded, there is a number M such thata

n

≤ M 

for  every  n Let  L  be the smallest  such  upper  bound Now  let  

∈> 0  be given  . Then there  is 

a number 

N > 0  such  that a

n

> L−∈ If this  were  not  true , then  we would  have a

n

≤ L−∈   

for all 

n  ≥ 1   Then  L−∈  would  be  an upper  bound  for{a

n

}  and since L−∈ < L.    This 

would   contradict the  choice  of L  as the  smallest  such  upper bound  Since {

a

n

}  is  increasing 

, we  have  for 

n ≥ N .  

L−∈   < a

N

  ≤ a

n

 L  < +∈                                                                                                          (6) 

But  the  inequalities in (6) imply that |

a

n

− L| ≤∈ for  n  ≥ N .  which  proves ,  according  to 

the  definition of convergence , that  

lim

n→∞

a

n

= L 

 The number L  is called  the  least  upper  bound for the  sequence{

a

n

}  It is  an axiom of the  

real number  system that  every  set of real numbers that  is  bounded  above has  a least  upper  
bound and  that   every   set  of real  numbers  that  is bounded  below has a greatest  lower 
bound This axiom  is called  the  completeness axiom and  is of  para mount importance  in 
theoretical mathematical analysis  We  discussed  the  completeness axiom earlier on page 6  .  


background image

Lecture no.2-2                                                                                by Hussein J. AbdulHussein 

Advanced Calculus I I                                               Al Muthanna University, College of Science                  
 

 

We have actually proved a stronger result. Namely, that if the   sequence{

a

n

} is   bounded above 

and increasing, then it converges  to its  least upper  bound  . Similarly, if {

a

n

}is bounded below 

and decreasing, then   it converges to its greatest lower bound.  

EXAMPLE 12  In  Example 8 we  saw  that  the sequence{

2n/(3n + 2)}  is strictly  increasing  

Also , since 

2n/(3n + 2) < 3n /(3n + 2) < 3n /3n = 1  we see  that{a

n

}  is also  bounded , so 

that by  Theorem 2 , {

a

n

}  is convergent . We easily find that lim

n→∞

2n/(3n + 2) =

2

3

  

    PROBLEMS  

In  problems  1- 12 ,  determine  whether  the  given  sequence is  bounded  or  unbounded If  it is  

bounded  , find the  smallest bound for 

|a

n

1 ∙ {

1

n + 1

}                                   2 ∙ {sin nπ}                                3 ∙ {cos nπ} 

4 ∙ {√n sin n}                              5 ∙ {

2

n

1 + 2

n

}                                 6 ∙   {

2

n

+ 1

2

n

}    

7 ∙ {

1

n!

}                                           8 ∙ {

3

n

n!

}                                         9 ∙ {

n

2

n!

}  

10 ∙ {

2n

2

n

}                                      11 ∙ {

In n

n

}                                ∗ 12 ∙ {ne

−n

13. Show  that  for

 n  > 2

10

.

n

10

n!

   > (n + 1)

10

 /(n + 1)!   and  use  this  result  to conclude  

that

 {

n

10

n!

}  is  bounded   

In problems 14 -28, determine whether the given sequence is monotone increasing, strictly 
increasing, monotone decreasing, or not monotonic. 

14 ∙ {sin nπ}                                15 ∙ {

3

n

2 + 3

n

}                               16 ∙ {(

n

25

)

1
3

 } 

17 ∙ {n + (−1)

n

√n }                  18 ∙ {

√n + 1

n

 }                          19 ∙ {

n!

n

n

 } 

20 ∙ { 

n

n

n!

}                                       21 ∙ {

2n!

1 ∙ 3 ∙ 5 ∙ 7 ∙ ⋯  (2n − 1)

∗ 22 ∙ {n + cos n }                      23 ∙ {

2

2n

n!

 }                                  24 ∙ {

√n − 1

n

}   


background image

Lecture no.2-2                                                                                by Hussein J. AbdulHussein 

Advanced Calculus I I                                               Al Muthanna University, College of Science                  
 

 

25 ∙ {

n − 1
n + 1

}                                 26 ∙ { In  (

3n

n + 1

)}                     27 ∙ {In n − In (n + 2)} 

28 ∙ {(1 +

3
n

)

1
n

*29. Show that the sequence 

{(2

n

+ 3

n

)

1/n

}  is convergent  

*30. Show that 

{(a

n

+ b

n

)

1
n

}  is convergent for any  positive real  numbers  a  and b  [ Hint : 

First  do  Problem 29  Then  treat the  cases

 a = b and  a ≠ b   separately ] 

31. Show that the sequence

{

n!

n

n

 } is bounded  [ Hint : Show  that{

n!

n

n

 } > (n + 1)!/(n + 1)

n

  

sufficiently large n ] 

32. Prove that the  sequence 

{

n!

n

n

 }  converges [ hint: Use the  result of Problem 31.]  

33. Use  Theorem 2 to  show that

{In n − In  (n + 4)}  converges. 

 GEOMETRIC SERIES 

Consider the sum 

S

7

= 1 + 2 + 4 + 8 + 16 + 32 + 64 + 128 

This can be written as  

S

7

= 1 + 2 + 2

2

+ 2

3

+ 2

4

+ 2

5

+ 2

6

+ 2

7

= ∑

2

k

7

k=0

 

 GEOMETRIC PROGRESSION 

In general, the sum of a geometric progression is a sum of the form  

S

n

= 1 + r + r

2

+ r

3

+ ⋯ + r

n−1

+ r

n

= ∑ r

k

7

k=0

  .                                                          (1) 

Where r is a real number and n is affixed positive integer 

We now obtain a formula for the sum in (1)  

Theorem  1  If 

r ≠ 1 .  the sum of a geometric progression (1) is given by  

S

n

=

1 − r

n+1

1 − r

                                                                                                                                   (2) 

Proof.   We write 

S

n

= 1 + r + r

2

+ r

3

+ ⋯ + r

n−1

+ r

n

                                                                                      (3) 

And then multiply both sides of (3) by r: 


background image

Lecture no.2-2                                                                                by Hussein J. AbdulHussein 

Advanced Calculus I I                                               Al Muthanna University, College of Science                  
 

 

rS

n

= r + r

2

+ r

3

+ r

4

+ ⋯ + r

n

+ r

n+1

                                                                                 (4) 

We now subtract (4) from (3) and note that all terms except the first and the last cancel: 

S

n

− rS

n

= 1 − r

n+1

 .   

Or  

(1 − r)S

n

= 1 − r

n+1

                                                                                                                        (5) 

Finally, we  divide  both sides  of (5) by

 1 − r   (which  is nonzero) to  obtain equation  (2) 

NOTE       If

 r = 1 .  we  obtain  

   

S

n

= 1 + 1 + ⋯ + 1 = n + 1

⏞                  

n+1 terms

 

EXAMPLE  1   Calculate

 S

7

= 1 + 2 + 4 + 8 + 16 + 32 + 128 .    using  formula (2) 

               Solution  Here  

r = 2  and  n = 7 . so that 

 

 S

7

=

1 − 2

8

1 − 2

= 2

8

− 1 = 256 − 1 = 255 

 

EXAMPLE  2   Calculate ∑

(

1

2

)

k

10

k=0

  

           Solution  Here  

r =

1

2

 and  n = 10 . so that 

S

10

=

1 − (

1
2)

11

1 −

1
2

  =

1 −

1

2048

1
2

= 2 (

2047
2048

 ) =

2047
1048

 

EXAMPLE  3   Calculate 

S

6

= 1 −

2
3

+ (

2
3

)

2

  − (

2
3

)

3

  + (

2
3

)

4

  − (

2
3

)

5

  + (

2
3

)

6

  = ∑ (−

2
3

)

k

6

k=0

  

              Solution  Here 

r =   −

2

3

 and  n = 6 .  so that  


background image

Lecture no.2-2                                                                                by Hussein J. AbdulHussein 

Advanced Calculus I I                                               Al Muthanna University, College of Science                  
 

 

S

6

=

1 − (−

2
3)

7

1 − (−

2
3)

=

1 +

128

2187

5
3

=

3
5

 (

2315
2187

) =

463
729

   

EXAMPLE  4  Calculate the sum  

1 + b

2

+ b

4

+ b

6

+ ⋯ + b

20

= ∑

b

2k

 for  b ≠ ±1

10

k=0

 

                 Solution Not that the sum can be written

1 + b

2

+ (b

2

)

2

+ (b

2

)

3

+ ⋯ +

(b

2

)

10

 Here   r = b

2

≠ 1 and n = 10 . so that 

S

10

=

1 − (b

2

)

11

1 − b

2

=

b

22

− 1

b

2

− 1

 

The sum of a geometric progression is the sum of a finite number of terms We now see what 
happens if the number of terms is infinite Consider the sum 

S = 1 +

1

2

+

1

4

+

1

8

+

1

16

+ ⋯ = ∑

  (

1

2

)

k

                                                                                    (6)

k=0

  

 

What can such a sum mean? We will give a formal definition in a moment For now  let  us show 

why  it is  reasonable  to  say  that

S = 2  Let S

n

= ∑

(

1

2

)

k

n

k=0

= 1 +

1

2

+

1

4

+ ⋯ + (

1

2

)

n

    Then  

S

n

=

 1 − (

1
2)

n+1

1 −

1
2

= 2 [1 − (

1
2

)

n+1

Thus for any n (no matter how large),

1 ≤   S

n

< 2 Hence the numbersS

n

 are bounded Also, since 

S

n+1

= S

n

+ (

1

2

)

n+1

>   S

n

  the numbersS

n

 are monotone increasing.   Thus the sequence

{S

n

converges But  

S = lim

n→∞

S

n

  

  Thus S has a finite sum To compute it, we note that 

S = lim

n→∞

S

n

= lim

n→∞

2 [1 − (

1
2

)

n+1

] = 2lim [1 − (

1
2

)

n+1

] = 2  

Since

lim

n→∞

   (

1

2

)

n+1

= 0 

 


background image

Lecture no.2-2                                                                                by Hussein J. AbdulHussein 

Advanced Calculus I I                                               Al Muthanna University, College of Science                  
 

 

GEOMETRIC   SERIES  

The infinite sum is called a geometric series In general, a geometric series is an infinite sum of 
the form  

S =   ∑   (r)

k

  = 1 + r + r

2

+ r

3

+ ⋯                                                                                  (7)

k=0

 

 

CONVERGENCE   AND DIVERGENCE OF A GEOMETRIC SERIES 

Let

 S

n

= ∑

  r

k

 

n

k=0

  Then we say that the geometric series converges exists and is finite O 

otherwise, the series is said to diverge  

EXAMPLE   5   Let 

r = 1 Then 

S

n

= ∑

  1

k

= ∑

  1 =  1 + 1 + ⋯ + 1 = n + 1

⏟              

1+n  

n

k=0

n

k=0

   

Since  

lim

n→∞

(n + 1) = ∞.  the  series  ∑

  1

k

  diverges   

k=0

 

  EXAMPLE 6  Let 

r = −2 Then 

S

n

= ∑   r

k

 

n

k=0

=

1 − (−2)

n+1

1 − (−2)

=

1
3

 [1 − (−2)

n+1

But  (

−2)

n+1

= (−1)

n+1

(2

n+1

) = ±2

n+1

  As n → ∞. 2

n+1

→ ∞ Thus  the  

series∑

  (−2)

k+1

 

k=0

   diverges  

Theorem  

Let

 S = ∑

  r

k

 

k=0

 be  a geometric  series 

           

(i)  The series converges to 

  

1

1−r 

   if  |r|     < 1 

              (

ii)  The  series  diverges if  |r|     ≥ 1 

Proof (

i)if  |r|     < 1.    then  lim

n→∞

r

n+1

= 0   Thus 

    

S = lim S

n

n→∞

   = lim

n→∞

1−r

n+1

1−r

=

1

1−r

   lim

n→∞

(1 − r

n+1


background image

Lecture no.2-2                                                                                by Hussein J. AbdulHussein 

Advanced Calculus I I                                               Al Muthanna University, College of Science                  
 

10 

 

=

1

1 − r

 (1 − 0) =

1

1 − r

  

 

   (

ii)  If |r|     > 1 . then   lim

n→∞

| r|

n+1

= ∞  Thus1 − r

n+1

   does  not  have  a finite limit and  the  

series diverges Finally , if 

r = 1 .    then  series diverges , by  Example 5,  and  if r = −1 then S

n

 

alternates between the  numbers  0 and  1, so  that  the  series diverges 

  

  

  EXAMPLE  7  

1 −

2

3

+ (

2

3

)

2

− ⋯   = ∑

  (−

2

3

)

k

= 1/[1 − (−

2

3

) = 1/(

5

3

) =

3

5

 

k=0

 

EXAMPLE   8  

1 +

π

4

+ (

π

4

)

2

+ (

π

4

)

3

+ ⋯ ∑

  (

π

4

)

k

  

k=0

=

1

1−(

π

4

)

  

=

4

4 − π

  ≈ 4 ∙ 66 

PROBLEMS    

In Problems 1-11, calculate the sum of the given geometric progression  

1 ∙ 1 + 3 + 9 + 27 + 81 + 243 

2 ∙ 1 +

1
4

+

1

16

+ ⋯ +

1

4

8

   

3 ∙ 1 − 5 + 25 − 125 + 625 − 3125 

4 ∙ 0 ∙ 2 − 0 ∙ 2

2

+ 0 ∙ 2

3

+ ⋯ 0 ∙ 2

9

  

5 ∙ 0 ∙ 3

2

− 0 ∙ 3

3

+ 0 ∙ 3

4

− 0 ∙ 3

5

+ 0 ∙ 3

6

− 0 ∙ 3

7

+ 0 ∙ 3

8

  

6 ∙ 1 + b

3

+ b

6

+ b

9

+ b

12

+ b

15

+ b

18

+ b

21

 

7 ∙ 1 −

1

b

2

+

1

b

4

1

b

6

+

1

b

8

+

1

b

10

+

1

b

12

1

b

14

  

8 ∙ π − π

3

+ π

5

− π

7

+ π

9

− π

11

+ π

13

 

9 ∙ 1 + √2 + 2 + 2

3
2

+ 4 + 2

5
2

+ 8 + 2

7
2

+ 16 

10 ∙ 1 −

1

√3

+

1
3

1

3√3

+

1
9

1

9√3

+

1

27

1

27√3

+

1

81

 


background image

Lecture no.2-2                                                                                by Hussein J. AbdulHussein 

Advanced Calculus I I                                               Al Muthanna University, College of Science                  
 

11 

 

11 ∙ 1 − 16 + 64 − 256 + 1024 − 4096 

In Problems 13 – 22, calculate the sum of the given geometric series 

13 ∙ 1 +

1
4

+

1

4

2

+

1

4

3

   + ⋯                                        14 ∙ 1 −

1
2

+

1
4

1
8

+

1

16

− ⋯ 

15 ∙ 1 +

1

10

+

1

100

+

1

1000

+ ⋯                              16 ∙   1 −

1

10

+

1

100

1

1000

+ ⋯ 

17 ∙ 1 +

1
π

+

1

π

2

+

1

π

3

+ ⋯                                       18 ∙ 1 + 0 ∙ 7 + 0 ∙ 7

2

+ 0 ∙ 7

3

+ ⋯ 

19 ∙ 1 − 0 ∙ 62 + 0 ∙ 62

2

  + 0 ∙ 62

3

+ 0 ∙ 62

4

− ⋯    

20 ∙

1
4

+

1

16

+

1

46

+ ⋯ [Hint Factor out the  term

1
4

21 ∙

3
5

3

25

+

3

125

− ⋯                                            22 ∙

1
9

+

1

27

+

1

81

+ ⋯ 

23 ∙ How large must  n be in order that   (

1
2

)

n

  < 0 ∙ 01 ? 

24    ∙ How large must  n be in order that  (0 ∙ 8)

n

  < 0 ∙ 01 ?  

25 ∙ How large must  n be in order that  (0 ∙ 99)

n

  < 0 ∙ 01 ?  

26 ∙ If  x > 1 .  show  that  

1 +

1

x

+

1

x

2

+

1

x

3

+ ⋯ =

x

x − 1

 




رفعت المحاضرة من قبل: Cruz Maldanado
المشاهدات: لقد قام عضوان و 300 زائراً بقراءة هذه المحاضرة








تسجيل دخول

أو
عبر الحساب الاعتيادي
الرجاء كتابة البريد الالكتروني بشكل صحيح
الرجاء كتابة كلمة المرور
لست عضواً في موقع محاضراتي؟
اضغط هنا للتسجيل