10 Otros criterios de convergencia

10.1 Criterio de Stolz

Proposition 10.1.

Sean (xn)n=1(x_{n})^{\infty}_{n=1} y (yn)n=1(y_{n})^{\infty}_{n=1}\subset\mathbb{R}.

limnxn=a¯={+,}yn>0nlimni=1nyi=limn(y1+y2++yn)=+}limnx1y1+x2y2++xnyny1+y2++yn=a\begin{rcases}\lim\limits_{n\to\infty}x_{n}=a\in\overline{\mathbb{R}}=\mathbb{% R}\cup\left\{+\infty,-\infty\right\}\\ y_{n}>0\;\forall n\in\mathbb{N}\\ \lim\limits_{n\to\infty}\sum_{i=1}^{n}y_{i}=\lim\limits_{n\to\infty}(y_{1}+y_{% 2}+\cdots+y_{n})=+\infty\end{rcases}\Rightarrow\lim\limits_{n\to\infty}\frac{x% _{1}y_{1}+x_{2}y_{2}+\cdots+x_{n}y_{n}}{y_{1}+y_{2}+\cdots+y_{n}}=a
Proposition 10.2 (Criterio de la media aritmetica).

Sea (xn)n=1(x_{n})^{\infty}_{n=1}\subset\mathbb{R} y limnxn=a\lim\limits_{n\to\infty}x_{n}=a. Entonces

limnx1+x2++xnn=a\lim\limits_{n\to\infty}\frac{x_{1}+x_{2}+\cdots+x_{n}}{n}=a
Proof 10.3.

Basta con tomar yn=1,ny_{n}=1,n\in\mathbb{N}, y utilizar el resultado anterior.

Theorem 10.4 (Criterio de Stolz).

Sean (xn)n=1(x_{n})^{\infty}_{n=1} y (yn)n=1(y_{n})^{\infty}_{n=1}\subset\mathbb{R}. Si se cumple:

  • (yn)(y_{n}) es estrictamente creciente, limyn=+\lim\limits y_{n}=+\infty y yn>0y_{n}>0.

  • limnxnxn1ynyn1=a¯\lim\limits_{n\to\infty}\frac{x_{n}-x_{n-1}}{y_{n}-y_{n-1}}=a\in\overline{% \mathbb{R}}

entonces también sucede que limnxnyn=a\lim\limits_{n\to\infty}\frac{x_{n}}{y_{n}}=a.

Proof 10.5.

Dadas las sucesiones (xn)n=1(x_{n})^{\infty}_{n=1} e (yn)n=1(y_{n})^{\infty}_{n=1}, consideramos las sucesiones {Xn}\left\{X_{n}\right\} e {Yn}\left\{Y_{n}\right\} definidas por

Xn={x1y1 para n=1xnxn1ynyn1 si n2X_{n}=\begin{dcases}\frac{x_{1}}{y_{1}}\text{ para }n=1\\ \frac{x_{n}-x_{n-1}}{y_{n}-y_{n-1}}\text{ si }n\geq 2\end{dcases}
Yn={y1 para n=1ynyn1 si n2Y_{n}=\begin{dcases}y_{1}\text{ para }n=1\\ y_{n}-y_{n-1}\text{ si }n\geq 2\end{dcases}

En primer lugar, es evidente que limn{Xn}=limn{xnxn1ynyn1}=a\lim\limits_{n\to\infty}\left\{X_{n}\right\}=\lim\limits_{n\to\infty}\left\{% \frac{x_{n}-x_{n-1}}{y_{n}-y_{n-1}}\right\}=a. Por otra parte, como {yn}\left\{y_{n}\right\} es estrictamente creciente, n2Yn>0\forall n\geq 2\;Y_{n}>0, y como limn{yn}=+\lim\limits_{n\to\infty}\left\{y_{n}\right\}=+\infty, se verifica que

limn{Y1+Y2++Yn}=limn{y1+(y2y1)++(ynyn1)}=limn{yn}=+\lim\limits_{n\to\infty}\left\{Y_{1}+Y_{2}+\cdots+Y_{n}\right\}=\lim\limits_{n% \to\infty}\left\{y_{1}+(y_{2}-y_{1})+\cdots+(y_{n}-y_{n-1})\right\}=\lim% \limits_{n\to\infty}\left\{y_{n}\right\}=+\infty

En consecuencia, estamos bajo las hipotesis de la proposición 10.1 y

a=limnX1Y1+X2Y2++XnYnY1+Y2++Yn=limnx10y10(y10)++xnxn1ynyn1(ynyn1)(y10)+(y2y1)++(ynyn1)==limnx1+(x2x1)++(xnxn1)yn=limnxnyna=\lim\limits_{n\to\infty}\frac{X_{1}Y_{1}+X_{2}Y_{2}+\cdots+X_{n}Y_{n}}{Y_{1}% +Y_{2}+\cdots+Y_{n}}=\lim\limits_{n\to\infty}\frac{\frac{x_{1}-0}{y_{1}-0}(y_{% 1}-0)+\cdots+\frac{x_{n}-x_{n-1}}{y_{n}-y_{n-1}}(y_{n}-y_{n-1})}{(y_{1}-0)+(y_% {2}-y_{1})+\cdots+(y_{n}-y_{n-1})}=\\ =\lim\limits_{n\to\infty}\frac{x_{1}+(x_{2}-x_{1})+\cdots+(x_{n}-x_{n-1})}{y_{% n}}=\lim\limits_{n\to\infty}\frac{x_{n}}{y_{n}}