Sari la conținutul principal
Acasă
Pimath

Menu RO

  • 🇷🇴 Home
  • 👨‍🎓 Despre Mine
  • 🚧 Teorie și Exerciții
User account menu
  • Log in

Breadcrumb

  1. Acasă

Teorema Stolz-Cesàro: Enunț, Demonstrație și Corolare

Profile picture for user Pimath
De Pimath, 24 iunie, 2026

Teorema Stolz-Cesàro oferă un instrument fundamental pentru calculul limitelor unor rapoarte de șiruri. Este deosebit de utilă atunci când numitorul tinde la \(+\infty\), iar calculul direct al limitei se dovedește dificil sau conduce la o formă nedeterminată.

Acest rezultat poate fi privit ca o generalizare a teoremei lui Cesàro privind mediile aritmetice și este folosit pe scară largă în studiul convergenței șirurilor.

Pe tot parcursul textului presupunem că \( \mathbb{N} = \{0,1,2,\dots\} \).


Cuprins

  • Teorema Stolz-Cesàro
  • Demonstrație
  • Corolar I
  • Corolar II (Teorema lui Cesàro)
  • Corolar III
  • Corolar IV

Teorema Stolz-Cesàro. Fie \( \{a_n\}_{n \in \mathbb{N}} \) și \( \{b_n\}_{n \in \mathbb{N}} \) două șiruri de numere reale. Presupunem că:

  • \( b_n > 0 \) pentru orice \( n \) suficient de mare;
  • \( b_{n+1} > b_n \) pentru orice \( n \) suficient de mare;
  • \[ \lim_{n \to \infty} b_n = +\infty. \]

Dacă există limita

\[ \lim_{n \to \infty} \frac{a_{n+1} - a_n}{b_{n+1} - b_n} = L \in \mathbb{R}, \]

atunci există și limita

\[ \lim_{n \to \infty} \frac{a_n}{b_n} = L. \]

Există de asemenea variante ale teoremei Stolz-Cesàro pentru cazul în care limita raportului diferențelor consecutive este \(+\infty\) sau \(-\infty\), precum și versiuni adaptate unor forme nedeterminate de tipul \(\displaystyle \frac{0}{0}\). În acest text ne concentrăm asupra formei celei mai utilizate, și anume cea referitoare la forma nedeterminată \(\displaystyle \frac{\infty}{\infty}\) cu limită reală finită.

Demonstrație. Presupunem că

\[ \lim_{n \to \infty} \frac{a_{n+1} - a_n}{b_{n+1} - b_n} = L. \]

Vrem să demonstrăm că

\[ \lim_{n \to \infty} \frac{a_n}{b_n} = L. \]

Prin definiția limitei, pentru orice \( \varepsilon > 0 \) există \( n_\varepsilon \in \mathbb{N} \), ales suficient de mare încât să asigure și \( b_n > 0 \) și \( b_{n+1} > b_n \) pentru orice \( n \ge n_\varepsilon \), astfel încât

\[ \left| \frac{a_{n+1} - a_n}{b_{n+1} - b_n} - L \right| < \varepsilon, \qquad \forall n \ge n_\varepsilon. \]

În mod echivalent,

\[ L - \varepsilon < \frac{a_{n+1} - a_n}{b_{n+1} - b_n} < L + \varepsilon. \]

Deoarece \( b_{n+1} - b_n > 0 \) pentru orice \( n \ge n_\varepsilon \), putem înmulți toți membrii inegalității, obținând:

\[ (L - \varepsilon) (b_{n+1} - b_n) < a_{n+1} - a_n < (L + \varepsilon) (b_{n+1} - b_n). \]

Însumăm membru cu membru de la \( k = n_\varepsilon \) până la \( k = n - 1 \):

\[ \sum_{k=n_\varepsilon}^{n-1} (L - \varepsilon)(b_{k+1} - b_k) < \sum_{k=n_\varepsilon}^{n-1} (a_{k+1} - a_k) < \sum_{k=n_\varepsilon}^{n-1} (L + \varepsilon)(b_{k+1} - b_k). \]

Sumele sunt telescopice. Într-adevăr:

\[ \sum_{k=n_\varepsilon}^{n-1} (a_{k+1} - a_k) = a_n - a_{n_\varepsilon}, \]

și, în mod analog,

\[ \sum_{k=n_\varepsilon}^{n-1} (b_{k+1} - b_k) = b_n - b_{n_\varepsilon}. \]

Prin urmare:

\[ (L - \varepsilon) (b_n - b_{n_\varepsilon}) < a_n - a_{n_\varepsilon} < (L + \varepsilon) (b_n - b_{n_\varepsilon}). \]

Împărțind la \( b_n > 0 \), obținem:

\[ (L - \varepsilon) \left( 1 - \frac{b_{n_\varepsilon}}{b_n} \right) + \frac{a_{n_\varepsilon}}{b_n} < \frac{a_n}{b_n} < (L + \varepsilon) \left( 1 - \frac{b_{n_\varepsilon}}{b_n} \right) + \frac{a_{n_\varepsilon}}{b_n}. \]

Deoarece

\[ \lim_{n \to \infty} \frac{b_{n_\varepsilon}}{b_n} = 0, \qquad \lim_{n \to \infty} \frac{a_{n_\varepsilon}}{b_n} = 0, \]

trecând la limita inferioară și la limita superioară în inegalitatea precedentă, obținem:

\[ L - \varepsilon \le \liminf_{n \to \infty} \frac{a_n}{b_n} \le \limsup_{n \to \infty} \frac{a_n}{b_n} \le L + \varepsilon. \]

Deoarece \( \varepsilon > 0 \) este arbitrar, rezultă că

\[ \liminf_{n \to \infty} \frac{a_n}{b_n} = \limsup_{n \to \infty} \frac{a_n}{b_n} = L. \]

Așadar:

\[ \lim_{n \to \infty} \frac{a_n}{b_n} = L. \]

Aceasta încheie demonstrația teoremei Stolz-Cesàro.

Corolar I. Dacă

\[ \lim_{n \to \infty} (a_{n+1} - a_n) = L, \]

atunci

\[ \lim_{n \to \infty} \frac{a_n}{n} = L. \]

Demonstrație. Este suficient să aplicăm teorema Stolz-Cesàro șirului \( b_n = n \). Raportul \(a_n/n\) se consideră în mod natural pentru \(n\ge 1\). Într-adevăr:

\[ b_{n+1} - b_n = 1, \]

deci

\[ \lim_{n \to \infty} \frac{a_{n+1} - a_n}{b_{n+1} - b_n} = \lim_{n \to \infty} (a_{n+1} - a_n) = L. \]

Prin urmare:

\[ \lim_{n \to \infty} \frac{a_n}{n} = L. \]

Corolar II (Teorema lui Cesàro). Fie \( \{a_n\}_{n \in \mathbb{N}} \) un șir convergent către \( L \). Pentru orice \(n\ge 1\), definim:

\[ \alpha_n = \frac{1}{n} \sum_{k=0}^{n-1} a_k. \]

Atunci:

\[ \lim_{n \to \infty} \alpha_n = L. \]

Demonstrație. Notăm

\[ c_n = \sum_{k=0}^{n-1} a_k, \qquad b_n = n. \]

Atunci:

\[ \alpha_n = \frac{c_n}{b_n}. \]

În plus:

\[ \frac{c_{n+1} - c_n}{b_{n+1} - b_n} = \frac{a_n}{1} = a_n. \]

Deoarece \( a_n \to L \), teorema Stolz-Cesàro implică:

\[ \lim_{n \to \infty} \alpha_n = \lim_{n \to \infty} \frac{c_n}{b_n} = L. \]

Corolar III. Fie \( \{a_n\}_{n \in \mathbb{N}} \) un șir astfel încât:

  • \( a_n > 0 \) pentru orice \( n \);
  • \[ \lim_{n \to \infty} a_n = L > 0. \]

Atunci:

\[ \lim_{n \to \infty} \sqrt[n]{\prod_{k=0}^{n-1} a_k} = L. \]

Demonstrație. Definim:

\[ u_n = \log a_n. \]

Deoarece \( a_n \to L > 0 \), avem:

\[ u_n = \log a_n \longrightarrow \log L. \]

Considerăm mediile aritmetice:

\[ \beta_n = \frac{1}{n} \sum_{k=0}^{n-1} u_k, \qquad n\ge 1. \]

Folosind definiția lui \( u_k \), obținem:

\[ \beta_n = \frac{1}{n} \sum_{k=0}^{n-1} \log a_k = \log \left( \sqrt[n]{\prod_{k=0}^{n-1} a_k} \right). \]

Conform Corolarului II:

\[ \lim_{n \to \infty} \beta_n = \log L. \]

Aplicând funcția exponențială:

\[ \lim_{n \to \infty} \sqrt[n]{\prod_{k=0}^{n-1} a_k} = L. \]

Corolar IV. Fie \( \{a_n\}_{n \in \mathbb{N}} \) un șir de numere reale strict pozitive.

Dacă

\[ \lim_{n \to \infty} \frac{a_{n+1}}{a_n} = L > 0, \]

atunci:

\[ \lim_{n \to \infty} \sqrt[n]{a_n} = L. \]

Demonstrație. Definim, pentru orice \( n \ge 1 \),

\[ b_n = \frac{a_n}{a_{n-1}}. \]

Prin ipoteză:

\[ b_n \to L. \]

Aplicând Corolarul III șirului \( \{b_n\}_{n \ge 1} \), sau, echivalent, aceluiași șir reindexat începând de la \(0\), obținem:

\[ \lim_{n \to \infty} \sqrt[n]{\prod_{k=1}^{n} b_k} = L. \]

Pe de altă parte,

\[ \prod_{k=1}^{n} b_k = \prod_{k=1}^{n} \frac{a_k}{a_{k-1}} = \frac{a_n}{a_0}. \]

Așadar:

\[ \sqrt[n]{\prod_{k=1}^{n} b_k} = \sqrt[n]{\frac{a_n}{a_0}} = \frac{\sqrt[n]{a_n}}{\sqrt[n]{a_0}}. \]

Deoarece

\[ \lim_{n \to \infty} \sqrt[n]{a_0} = 1, \]

rezultă că:

\[ \lim_{n \to \infty} \sqrt[n]{a_n} = L. \]

Aceasta încheie demonstrația.


Feedbackul tău este important pentru noi! Lasă un comentariu și ajută-ne să îmbunătățim acest conținut. Îți mulțumim!

Feedback

Apreciază-ne:
Sau distribuie:

Tags

  • Analiză Matematică 1

Apreciază-ne:
Sau distribuie:

Copyright © 2026 | Pimath | All Rights Reserved