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Aufgabe:

Mit Sandwichlemma lösen:

lim (n gegen unendlich) ∑ (von k=n bis 2n) 1/k^2

Man braucht ja eine kleinere und eine größere Funktion. Die kleinere wäre vermutlich 1/n^2, ich kann die größere aber nicht finden.

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Heißt es tatsächlich 1/k2 oder vielleicht 1/k ?

Es ist wirklich 1/k^2

Dann vielleicht so:$$\sum_{k=n}^{2n}\frac1{(2n)^2}\le\sum_{k=n}^{2n}\frac1{k^2}\le\sum_{k=n}^{2n}\frac1{n^2}\\\frac{n+1}{4n^2}\le\sum_{k=n}^{2n}\frac1{k^2}\le\frac{n+1}{n^2}.$$

Vielen Dank!

1 Antwort

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Aloha :)

Da wir den Grenzwert \(n\to\infty\) abschätzen sollen, sei im Folgenden \(n\ge2\) vorausgesetzt.$$S_n\coloneqq\sum\limits_{k=n}^{2n}\frac{1}{k^2}$$

Wenn wir die Nenner etwas vergrößern, verkleinern wir die Summanden:$$S_n=\sum\limits_{k=n}^{2n}\frac{1}{k^2}>\sum\limits_{k=n}^{2n}\frac{1}{k(k+1)}=\sum\limits_{k=n}^{2n}\left(\frac{1}{k}-\frac{1}{k+1}\right)=\sum\limits_{k=n}^{2n}\frac{1}{k}-\sum\limits_{k=n}^{2n}\frac{1}{k+1}$$$$\phantom{S_n}=\sum\limits_{k=n}^{2n}\frac{1}{k}-\sum\limits_{k=n+1}^{2n+1}\frac{1}{k}=\left(\frac1n+\sum\limits_{k=n+1}^{2n}\frac{1}{k}\right)-\left(\sum\limits_{k=n+1}^{2n}\frac{1}{k}+\frac{1}{2n+1}\right)=\frac1n-\frac{1}{2n+1}$$

Wenn wir den Nenner etwas verkleinern, vergrößern wir die Summanden:$$S_n=\sum\limits_{k=n}^{2n}\frac{1}{k^2}<\sum\limits_{k=n}^{2n}\frac{1}{k(k-1)}=\sum\limits_{k=n}^{2n}\left(\frac{1}{k-1}-\frac{1}{k}\right)=\sum\limits_{k=n}^{2n}\frac{1}{k-1}-\sum\limits_{k=n}^{2n}\frac{1}{k}$$$$\phantom{S_n}=\sum\limits_{k=n-1}^{2n-1}\frac{1}{k}-\sum\limits_{k=n}^{2n}\frac{1}{k}=\left(\frac{1}{n-1}+\sum\limits_{k=n}^{2n-1}\frac{1}{k}\right)-\left(\sum\limits_{k=n}^{2n-1}\frac{1}{k}+\frac{1}{2n}\right)=\frac{1}{n-1}-\frac{1}{2n}$$

Für \(n\ge2\) gilt also:$$\frac{1}{n}-\frac{1}{2n+1}<\sum\limits_{k=n}^{2n}\frac{1}{k^2}<\frac{1}{n-1}-\frac{1}{2n}$$Da sowohl die linke Seite als auch die rechte Seite für \(n\to\infty\) gegen \(0\) konvergieren, gilt nach dem Sandwich-Theorem insbesondere:$$\lim\limits_{n\to\infty}\sum\limits_{k=n}^{2n}\frac{1}{k^2}=0$$

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