18.9 Granica ciągu liczbowego
Kartkówka
Grupa A
Zadanie 1 (3 pkt)
Oblicz, które wyrazy nieskończonego ciągu $(a_n)$, gdzie $a_n = \frac{3n}{2n-1}$, są oddalone od liczby $1\frac{1}{2}$ o mniej niż $\frac{1}{100}$.
Wyrazy ciągu oddalone od liczby $1\frac{1}{2}$ o mniej niż $\frac{1}{100}$ to te, dla których $n \ge 76$.
Warunek zadania można zapisać jako nierówność:\[ \left| a_n - 1\frac{1}{2} \right| < \frac{1}{100} \]Podstawiamy wzór na $a_n$ i zamieniamy liczbę mieszaną na ułamek:\[ \left| \frac{3n}{2n-1} - \frac{3}{2} \right| < \frac{1}{100} \]Sprowadzamy wyrażenia w wartości bezwzględnej do wspólnego mianownika:\[ \left| \frac{3n \cdot 2 - 3(2n-1)}{2(2n-1)} \right| < \frac{1}{100} \]\[ \left| \frac{6n - 6n + 3}{2(2n-1)} \right| < \frac{1}{100} \]\[ \left| \frac{3}{2(2n-1)} \right| < \frac{1}{100} \]Ponieważ $n$ jest liczbą naturalną ($n \ge 1$), to $2n-1$ jest zawsze dodatnie, a więc całe wyrażenie $\frac{3}{2(2n-1)}$ jest dodatnie. Możemy opuścić wartość bezwzględną:\[ \frac{3}{2(2n-1)} < \frac{1}{100} \]Mnożymy obie strony nierówności przez $100 \cdot 2(2n-1)$:\[ 3 \cdot 100 < 2(2n-1) \]\[ 300 < 4n - 2 \]Dodajemy 2 do obu stron:\[ 300 + 2 < 4n \]\[ 302 < 4n \]Dzielimy obie strony przez 4:\[ \frac{302}{4} < n \]\[ 75.5 < n \]Ponieważ $n$ musi być liczbą całkowitą, wyrazy ciągu spełniające warunek to te, dla których $n \ge 76$.
Zadanie 2 (4 pkt)
Nieskończony ciąg $(c_n)$, gdzie $c_n = \frac{1+4n}{2n+3}$, jest zbieżny do liczby $2$. Ile wyrazów ciągu $(c_n)$ nie spełnia nierówności $\left|c_n - 2\right| < \varepsilon$, jeśli $\varepsilon = \frac{1}{200}$?
Liczba wyrazów ciągu, które nie spełniają podanej nierówności, wynosi $498$.
Aby znaleźć liczbę wyrazów ciągu, które nie spełniają nierówności, musimy rozwiązać nierówność:\[ \left|c_n - 2\right| \ge \varepsilon \]Najpierw przekształćmy wyrażenie $c_n - 2$:\[ c_n - 2 = \frac{1+4n}{2n+3} - 2 \]Wspólny mianownik to $2n+3$:\[ c_n - 2 = \frac{1+4n - 2 \cdot (2n+3)}{2n+3} \]\[ c_n - 2 = \frac{1+4n-4n-6}{2n+3} \]\[ c_n - 2 = \frac{-5}{2n+3} \]Teraz wstawiamy to do nierówności:\[ \left|\frac{-5}{2n+3}\right| \ge \frac{1}{200} \]Ponieważ $n$ jest liczbą naturalną ($n \ge 1$), mianownik $2n+3$ jest zawsze dodatni. Wartość bezwzględna z $\frac{-5}{2n+3}$ jest równa $\frac{5}{2n+3}$:\[ \frac{5}{2n+3} \ge \frac{1}{200} \]Aby usunąć mianowniki, możemy pomnożyć obie strony przez $200 \cdot (2n+3)$, co jest wartością dodatnią, więc znak nierówności się nie zmienia:\[ 5 \cdot 200 \ge 2n+3 \]\[ 1000 \ge 2n+3 \]Odejmujemy $3$ od obu stron:\[ 1000 - 3 \ge 2n \]\[ 997 \ge 2n \]Dzielimy obie strony przez $2$:\[ \frac{997}{2} \ge n \]\[ 498.5 \ge n \]Ponieważ $n$ musi być liczbą naturalną ($n \in \{1, 2, 3, ...\}$), największą liczbą naturalną spełniającą tę nierówność jest $498$.
Zatem wyrazy ciągu $c_1, c_2, \ldots, c_{498}$ nie spełniają nierówności. Liczba tych wyrazów wynosi $498$.
Zadanie 3 (5 pkt)
Granicą nieskończonego ciągu $(a_n)$, określonego wzorem $a_n = \frac{-n}{2n+3}$, jest liczba $-\frac{1}{2}$. Oblicz, ile wyrazów ciągu $(a_n)$ nie spełnia warunku $\left|a_n + \frac{1}{2}\right| < \varepsilon$, jeśli:
a) $\varepsilon=\frac{1}{10}$
b) $\varepsilon=\frac{1}{200}$
a) Liczba wyrazów ciągu, które nie spełniają warunku, wynosi $6$.
b) Liczba wyrazów ciągu, które nie spełniają warunku, wynosi $148$.
Obliczamy wyrażenie $\left|a_n + \frac{1}{2}\right|$:\[ \left|a_n + \frac{1}{2}\right| = \left|\frac{-n}{2n+3} + \frac{1}{2}\right| \]Sprowadzamy do wspólnego mianownika:\[ \left|\frac{-n \cdot 2 + 1 \cdot (2n+3)}{2(2n+3)}\right| = \left|\frac{-2n + 2n + 3}{2(2n+3)}\right| \]\[ = \left|\frac{3}{2(2n+3)}\right| \]Ponieważ $n$ jest liczbą naturalną ($n \ge 1$), to $2n+3 > 0$, więc $2(2n+3) > 0$. Zatem wartość bezwzględna jest równa samemu wyrażeniu:\[ \left|\frac{3}{2(2n+3)}\right| = \frac{3}{2(2n+3)} \]Warunek, że wyrazy ciągu \textit{nie} spełniają warunku $\left|a_n + \frac{1}{2}\right| < \varepsilon$ oznacza, że spełniają warunek $\left|a_n + \frac{1}{2}\right| \ge \varepsilon$. Stąd otrzymujemy nierówność:\[ \frac{3}{2(2n+3)} \ge \varepsilon \]Mnożymy obie strony przez $2(2n+3)$:\[ 3 \ge 2\varepsilon \cdot (2n+3) \]Dzielimy przez $2\varepsilon$:\[ \frac{3}{2\varepsilon} \ge 2n+3 \]Odejmujemy $3$ od obu stron:\[ \frac{3}{2\varepsilon} - 3 \ge 2n \]Dzielimy przez $2$:\[ n \le \frac{1}{2}\left(\frac{3}{2\varepsilon} - 3\right) \]\[ n \le \frac{3}{4\varepsilon} - \frac{3}{2} \]a) Obliczenie liczby wyrazów dla $\varepsilon = \frac{1}{10}$: Podstawiamy wartość $\varepsilon$ do wyznaczonej nierówności:\[ n \le \frac{3}{4 \cdot \frac{1}{10}} - \frac{3}{2} \]\[ n \le \frac{30}{4} - \frac{3}{2} \]\[ n \le 7.5 - 1.5 \]\[ n \le 6 \]Ponieważ $n$ musi być liczbą naturalną, to wyrazami niespełniającymi warunku są $n=1, 2, 3, 4, 5, 6$. Liczba tych wyrazów wynosi $6$.
b) Obliczenie liczby wyrazów dla $\varepsilon = \frac{1}{200}$: Podstawiamy wartość $\varepsilon$ do wyznaczonej nierówności:\[ n \le \frac{3}{4 \cdot \frac{1}{200}} - \frac{3}{2} \]\[ n \le \frac{600}{4} - \frac{3}{2} \]\[ n \le 150 - 1.5 \]\[ n \le 148.5 \]Ponieważ $n$ musi być liczbą naturalną, to wyrazami niespełniającymi warunku są $n=1, 2, \ldots, 148$.Liczba tych wyrazów wynosi $148$.
Zadanie 4 (4 pkt)
Nieskończony ciąg ($b_n$) jest określony wzorem $b_n = \frac{1}{2n^2}$. Wyznacz najmniejszą liczbę naturalną $\delta$, tak aby każdy wyraz ciągu ($b_n$) o numerze $n$, $n > \delta$, był oddalony od liczby 0 o mniej niż 0,005.
Najmniejszą liczbą naturalną $\delta$ jest $10$.
Nieskończony ciąg $b_n$ jest określony wzorem $b_n = \frac{1}{2n^2}$. Mamy wyznaczyć najmniejszą liczbę naturalną $\delta$, tak aby każdy wyraz ciągu $b_n$ o numerze $n$, $n > \delta$, był oddalony od liczby $0$ o mniej niż $0,005$. Warunek ten można zapisać jako:\[ |b_n - 0| < 0,005 \]Podstawiamy wzór na $b_n$:\[ \left|\frac{1}{2n^2}\right| < 0,005 \]Ponieważ $n$ jest liczbą naturalną, $n \ge 1$, zatem $2n^2$ jest zawsze dodatnie. Stąd wartość bezwzględna jest równa samej liczbie:\[ \frac{1}{2n^2} < 0,005 \]Przekształcamy ułamek dziesiętny na zwykły:\[ 0,005 = \frac{5}{1000} = \frac{1}{200} \]Podstawiamy do nierówności:\[ \frac{1}{2n^2} < \frac{1}{200} \]Ponieważ obie strony nierówności są dodatnie, możemy odwrócić ułamki, zmieniając jednocześnie znak nierówności:\[ 2n^2 > 200 \]Dzielimy obie strony przez $2$:\[ n^2 > \frac{200}{2} \]\[ n^2 > 100 \]Pierwiastkujemy obie strony nierówności. Ponieważ $n$ jest liczbą naturalną, $n > 0$:\[ n > \sqrt{100} \]\[ n > 10 \]Ponieważ $n$ musi być liczbą naturalną, najmniejszą liczbą naturalną $n$ spełniającą nierówność $n > 10$ jest $11$. Zgodnie z warunkiem zadania, $n > \delta$. Wiemy, że warunek $|b_n - 0| < 0,005$ jest spełniony dla $n \ge 11$. Chcemy znaleźć najmniejszą liczbę naturalną $\delta$ taką, że dla wszystkich $n > \delta$, warunek jest spełniony. Jeśli przyjmiemy $\delta = 10$, to dla $n > 10$ (czyli dla $n=11, 12, \ldots$) warunek jest spełniony. Dlatego najmniejszą liczbą naturalną $\delta$ jest $10$.
Zadanie 5 (5 pkt)
Nieskończony ciąg $(a_n)$ jest określony wzorem $a_n = \frac{5n}{6n+1}$. Wyznacz najmniejszą liczbę naturalną $\delta$ taką, że wszystkie wyrazy ciągu $(a_n)$ o numerach $n$, $n > \delta$, spełniają nierówność $\left|a_n - \frac{5}{6}\right| < \frac{1}{72}$.
Najmniejsza liczba naturalna $\delta$ wynosi $9$.
Należy rozwiązać nierówność, podstawiając wzór na $a_n$:\[ \left| \frac{5n}{6n+1} - \frac{5}{6} \right| < \frac{1}{72} \]Sprowadzamy do wspólnego mianownika:\[ \left| \frac{5n \cdot 6 - 5 \cdot (6n+1)}{6 \cdot (6n+1)} \right| < \frac{1}{72} \]Upraszczamy licznik:\[ \left| \frac{30n - 30n - 5}{36n+6} \right| < \frac{1}{72} \]\[ \left| \frac{-5}{36n+6} \right| < \frac{1}{72} \]Ponieważ $n$ jest liczbą naturalną, $36n+6$ jest dodatnie, więc:\[ \frac{5}{36n+6} < \frac{1}{72} \]Mnożymy obie strony przez $72 \cdot (36n+6)$:\[ 5 \cdot 72 < 36n+6 \]\[ 360 < 36n+6 \]Odejmujemy $6$ od obu stron:\[ 354 < 36n \]Dzielimy przez $36$:\[ n > \frac{354}{36} \]\[ n > 9.833... \]Ponieważ $n$ musi być liczbą naturalną, najmniejsze $n$ spełniające $n > 9.833...$ to $n=10$. Szukana liczba naturalna $\delta$ jest taką wartością, że dla wszystkich $n > \delta$ nierówność jest spełniona. Zatem, aby dla $n=10, 11, \dots$ nierówność była spełniona, $\delta$ musi być równe $9$.\[ \delta = 9 \]
Grupa B
Zadanie 1 (3 pkt)
Oblicz, które wyrazy nieskończonego ciągu $(a_n)$, gdzie $a_n = \frac{5n}{2n-1}$, są oddalone od liczby $2\frac{1}{2}$ o mniej niż $\frac{1}{80}$.
Wyrazy ciągu oddalone od liczby $2\frac{1}{2}$ o mniej niż $\frac{1}{80}$ to te, dla których $n \ge 101$.
Zadanie 2 (4 pkt)
Nieskończony ciąg $(c_n)$, gdzie $c_n = \frac{7-6n}{2n+5}$, jest zbieżny do liczby $-3$. Ile wyrazów ciągu $(c_n)$ nie spełnia nierówności $\left|c_n - (-3)\right| < \varepsilon$, jeśli $\varepsilon = \frac{1}{500}$?
Liczba wyrazów ciągu, które nie spełniają podanej nierówności, wynosi $5497$.
Zadanie 3 (5 pkt)
Granicą nieskończonego ciągu $(a_n)$, określonego wzorem $a_n = \frac{-n}{4n+1}$, jest liczba $-\frac{1}{4}$. Oblicz, ile wyrazów ciągu $(a_n)$ nie spełnia warunku $\left|a_n + \frac{1}{4}\right| < \varepsilon$, jeśli:
a) $\varepsilon=\frac{1}{80}$
b) $\varepsilon=\frac{1}{400}$
a) Liczba wyrazów ciągu, które nie spełniają warunku, wynosi $4$.
b) Liczba wyrazów ciągu, które nie spełniają warunku, wynosi $24$.
Zadanie 4 (4 pkt)
Nieskończony ciąg ($b_n$) jest określony wzorem $b_n = \frac{1}{2n^2}$. Wyznacz najmniejszą liczbę naturalną $\delta$, tak aby każdy wyraz ciągu ($b_n$) o numerze $n$, $n > \delta$, był oddalony od liczby 0 o mniej niż 0,001.
Najmniejszą liczbą naturalną $\delta$ jest $22$.
Zadanie 5 (5 pkt)
Nieskończony ciąg $(a_n)$ jest określony wzorem $a_n = \frac{3n}{4n+1}$. Wyznacz najmniejszą liczbę naturalną $\delta$ taką, że wszystkie wyrazy ciągu $(a_n)$ o numerach $n$, $n > \delta$, spełniają nierówność $\left|a_n - \frac{3}{4}\right| < \frac{1}{48}$.
Najmniejsza liczba naturalna $\delta$ wynosi $8$.
