Monotoniekriterium

Nach dem Monotoniekriterium konvergiert eine monoton fallende, nach unten beschränkte Folge gegen einene Grenzwert.

Das Monotoniekriterium ist in der Mathematik ein wichtiges Konvergenzkriterium für Folgen und Reihen. Mit dem Monotoniekriterium kann die Konvergenz einer monoton wachsenden oder fallenden Folge oder Reihe nachgewiesen werden, ohne dass ihr genauer Grenzwert bekannt ist.

Monotoniekriterium für Folgen

Kriterium

Das Monotoniekriterium für Folgen lautet:

Eine monoton wachsende Folge reeller Zahlen konvergiert genau dann gegen einen Grenzwert, wenn sie nach oben beschränkt ist.

Da das Konvergenzverhalten einer Folge nicht von den ersten Folgengliedern abhängt, reicht es dabei aus, dass sich die Folge ab einem bestimmten Folgenglied monoton verhält und beschränkt ist. Gibt es also in einer Folge $(a_{n})_{n\in \mathbb {N} }$ reeller Zahlen einen Index $N\in \mathbb {N}$, sodass

$a_{n}\leq a_{n+1}$

für alle $n\geq N$ ist und gibt es weiter eine reelle Schranke $K$, sodass

$a_{n}\leq K$

ist, dann konvergiert diese Folge und für den Grenzwert gilt

$\lim _{n\to \infty }a_{n}\leq K$.

Analog dazu konvergiert eine monoton fallende Folge genau dann, wenn sie nach unten beschränkt ist, und ihr Grenzwert ist dann mindestens so groß wie die untere Schranke. Mit dem Monotoniekriterium kann somit die Existenz des Grenzwerts einer Folge nachgewiesen werden, ohne dass der genaue Grenzwert bekannt ist.

Beispiel

Die Folge

$a_{n}={\frac {n}{n+1}}$

ist monoton wachsend und es gilt $a_{n}<1$ für alle $n$. Somit konvergiert die Folge gegen einen Grenzwert mit

$\lim _{n\to \infty }a_{n}\leq 1$.

Wie man an diesem Beispiel sieht kann der Grenzwert einer Folge gleich der angegebenen Schranke sein, selbst wenn jedes Folgenglied echt kleiner als die Schranke ist.

Beweis

Es reicht aus, den Fall einer monoton wachsenden und nach oben beschränkten Folge $(a_{n})$ zu betrachten. Sei

$a=\sup \left\{a_{n}\mid n\in \mathbb {N} \right\}$

und $\varepsilon >0$ beliebig gewählt. Da $a-\varepsilon$ keine obere Schranke der Folge ist, existiert ein Index $N\in \mathbb {N}$ mit

$a-\varepsilon <a_{N}\leq a$.

Nachdem die Folge $(a_{n})$ monoton wachsend ist, gilt damit

$a-\varepsilon <a_{m}\leq a$

für alle $m>N$. Also ist

$|a_{m}-a|=a-a_{m}<\varepsilon$

und somit konvergiert die Folge monoton gegen $a$ (man schreibt auch $a_{n}\nearrow a$). Umgekehrt ist eine monoton wachsende, konvergente Folge durch ihren Grenzwert nach oben beschränkt.

Anwendung

In der Praxis wird das Monotoniekriterium oft auch in der Form angewendet, dass man zu einer monoton wachsenden Folge $(a_{n})$ eine monoton fallende Folge $(b_{n})$ findet, die $a_{n}\leq b_{n}$ für alle $n\in \mathbb {N}$ erfüllt. Dann konvergieren sowohl $(a_{n})$ als auch $(b_{n})$ und es gilt

$\lim _{n\to \infty }a_{n}\leq \lim _{n\to \infty }b_{n}$.

Beispielsweise ist die zur Definition der Eulerschen Zahl verwendete Folge

$a_{n}=\left(1+{\frac {1}{n}}\right)^{n}$

monoton wachsend und die Folge

$b_{n}=\left(1+{\frac {1}{n-1}}\right)^{n}$

monoton fallend. Nachdem $a_{n}<b_{n}$ gilt, konvergieren beide Folgen. Bildet (wie in diesem Beispiel) $b_{n}-a_{n}$ eine Nullfolge, so liegt eine Intervallschachtelung vor und es gilt sogar

$\lim _{n\to \infty }a_{n}=\lim _{n\to \infty }b_{n}$.

Monotoniekriterium für Reihen

Kriterium

Das Monotoniekriterium für Reihen lautet:

Eine Reihe mit nichtnegativen reellen Summanden konvergiert genau dann gegen einen Grenzwert, wenn ihre Partialsummen nach oben beschränkt sind.

Dabei reicht es ebenfalls aus, dass die Summanden ab einem bestimmten Index nichtnegativ sind. Gilt also für die Summanden einer Reihe $\textstyle \sum _{i=1}^{\infty }a_{i}$

$a_{i}\geq 0$

für alle $i\geq N$ und ist die Folge $(s_{n})_{n\in \mathbb {N} }$ der Partialsummen

$s_{n}=\sum _{i=1}^{n}a_{i}$

nach oben beschränkt, dann konvergiert diese Reihe und es gilt für den Grenzwert

$\sum _{i=1}^{\infty }a_{i}=\sup \left\{\sum _{i=1}^{n}a_{i}\mid {n\in \mathbb {N} }\right\}<\infty$.

Analog dazu konvergiert eine Reihe mit nichtpositiven reellen Summanden genau dann, wenn ihre Partialsummen nach unten beschränkt sind. Eine Reihe, die dem Monotoniekriterium genügt, ist dabei nicht nur konvergent, sondern sogar absolut konvergent.

Beispiel

Es wird die die Reihe

$\sum _{i=1}^{\infty }{\frac {1}{i^{2}}}$

auf Konvergenz untersucht. Die Summanden sind alle nichtnegativ, deswegen ist das Monotoniekriterium anwendbar. Die Partialsummen der Reihe sind nach oben beschränkt, denn es gilt mit der Entwicklung als Teleskopsumme

$s_{n}=\sum _{i=1}^{n}{\frac {1}{i^{2}}}<1+\sum _{i=2}^{n}\left({\frac {1}{i-1}}-{\frac {1}{i}}\right)=1+\left(1-{\frac {1}{n}}\right)<2$,

da jedes Teleskopsummenglied durch

${\frac {1}{i-1}}-{\frac {1}{i}}={\frac {i-(i-1)}{i(i-1)}}={\frac {1}{i^{2}-i}}>{\frac {1}{i^{2}}}$

abgeschätzt werden kann. Demnach konvergiert die Reihe gegen einen Grenzwert, der höchstens $2$ ist. Der tatsächliche Grenzwert dieser Reihe liegt bei ${\tfrac {\pi ^{2}}{6}}$.

Beweis

Auch hier reicht es aus, den Fall einer Reihe mit nichtnegativen Summanden zu betrachten. Aus $a_{i}\geq 0$ folgt

$s_{n+1}=s_{n}+a_{n+1}\geq s_{n}$,

wodurch die Folge $(s_{n})$ der Partialsummen monoton wachsend ist. Nach Voraussetzung ist diese Folge auch nach oben beschränkt. Aus dem Monotoniekriterium für Folgen folgt dann die Konvergenz der Reihe.

Literatur

• Harro Heuser: Lehrbuch der Analysis – Teil 1. Springer, 2009, ISBN 3-8348-0777-X. 
• Wolfgang Walter: Analysis 1, Band 1. Springer, 2004, ISBN 3-540-20388-5.