3 Folgen und Reihen

3.1 Folgen

Der erste wichtige mathematische Begriff, mit dem wir uns beschäftigen müssen, ist der einer Folge.

Der Physiker denkt dabei etwa an die Folge der Sprunghöhen einer Stahlkugel auf einer Platte, die infolge der unvermeidlichen Energiedissipation mit der Zeit monoton abnehmen und schließlich mehr oder weniger schnell gegen Null streben. Nach einiger Zeit bleibt die Kugel ruhig liegen. Die physikalische Folge der Sprunghöhen hat also nur endlich viele nicht verschwindende Glieder im Gegensatz zu den Folgen, die in der Mathematik interessieren:
Mathematisch ist eine Folge eine unendliche Menge von Zahlen, die durchnumeriert, d.h. auf die Menge der natürlichen Zahlen abgebildet werden kann: math formula. Da man nicht alle unendlich vielen Glieder angeben kann math formula, definiert man eine Folge meist durch das "allgemeine Glied" math formula, d.h. das Bildungsgesetz, das angibt, wie man die Glieder berechnet. Wir wählen zunächst einige charakteristische Musterbeispiele aus, an denen wir aber bereits alles Wichtige erklären können:

(F1)      math formula die natürlichen Zahlen selbst,
(F2) math formula eine einfache "alternierende" Folge,
(F3) math formula die inversen natürlichen Zahlen, die sogenannte "harmonische" Folge,
(F4) math formula die inversen Fakultäten,
(F5) math formula eine Folge von echten Brüchen und
(F6) math formula, math formula die "geometrische" Folge.


Einschub: Zinseszins


Um uns eine erste anschauliche Vorstellung von diesen Musterfolgen zu geben, sind im ebenen kartesischen Koordinatensystem der folgenden graphischen Darstellungen die Folgenglieder math formula (in 2-Richtung) über den äquidistanten natürlichen Zahlen math formula (in 1-Richtung) durch Punkte eingetragen:

  math formula math formula
Bilder 3.1: Veranschaulichung der Musterfolgen über den natürlichen Zahlen,
bei der geometrischen Folge (F6) für q=2 und q=1/2

Auch die Summe, Differenz oder das Produkt zweier Folgen sind wieder eine Folge. Z.B. ist die Musterfolge (F5) mit math formula die Differenz aus der trivialen Folge math formula, die aus lauter Einsen besteht, und der harmonischen Folge (F3) bis auf das erste Glied.

Das gliedweise Produkt der Musterfolgen (F2) und (F3) ergibt eine neue Folge

(F7)      math formula      die "alternierende" harmonische Folge.


Auch das gliedweise Produkt der harmonische Folge (F3) mit sich selbst ist wieder eine Folge:

(F8)      math formula      die Folge der inversen natürlichen Quadrate.


Das gliedweise Produkt der Musterfolgen (F1) und (F6) ergibt eine neue Folge

(F9)      math formula      eine abgeänderte geometrische Folge.


Eine noch kompliziertere zusammengesetzte Folge wird uns später noch beschäftigen:

(F10)      math formula      die sogenannte Exponentialfolge.


Aufgabe 3.1:

Veranschaulichen Sie sich auch diese weiteren Beispiele durch graphische Darstellungen.
Projizieren Sie die Punkte auf die 2-Achse.



Es sind drei Eigenschaften, die uns an den Folgen besonders interessieren: Beschränkheit, Monotonie und Konvergenz: