La PizarraMatemática.

Grado en Matemáticas

Sucesiones, subsucesiones y criterios de Cauchy

Ver términos cerca de un número no basta para que una sucesión converja: desde algún índice deben quedarse cerca todos. Después aprenderemos a escoger una parte de los términos y a comparar dos términos tardíos sin conocer todavía el límite. Esa última idea es la condición de Cauchy.

Si necesitas repasar:

1. Converger significa que toda una cola entra en cualquier banda de tolerancia

aₙ→L significa: para cada ε>0 existe N tal que todos los n≥N cumplen |aₙ−L|<ε. ε se pide primero; N puede depender de ella, pero debe servir para toda la cola. No basta encontrar algunos términos cercanos.

Converger permite oscilar, si toda la cola entra en la banda
aₙ=3+(−1)ⁿ/n148123ε=0,3: desde n=4 todos quedan dentro.
Sucesión tres más menos uno elevado a n dividido por n. La banda es distancia menor que cero coma tres al límite tres. Desde el índice cuatro cada término está dentro; los puntos primero, segundo y tercero quedan fuera. La monotonía no es necesaria para converger.

Un número finito de cambios iniciales no altera límite ni convergencia: podemos comenzar después de ellos. El límite es único: si L≠M, las bandas de radio |L−M|/3 alrededor de ambos no podrían contener un mismo término tardío.

Dar un umbral que controle todos los términos

aₙ=2+3/n. Encuentra N para error menor que 0,01 respecto de dos.

  1. Distancia

    |aₙ−2|=3/n.
  2. Despejar

    3/n<1/100 equivale a n>300.
  3. Entero y cola

    N=301 sirve, porque n≥301 implica 3/n≤3/301<0,01.
Resultado

El umbral controla toda la cola.

Lo comprobamos

N=300 falla en el primer término permitido por igualdad con la tolerancia.

Oscilar no impide converger si la oscilación se reduce

aₙ=3+(−1)ⁿ/n, n≥1.

  1. Error exacto

    |aₙ−3|=1/n.
  2. Elegir

    Para cualquier ε>0 toma N>1/ε.
  3. Cola

    n≥N garantiza error menor que ε.
    Para ε=0,3 basta N=4, como en el dibujo.
Resultado

Converge a tres aunque alterne lados.

Lo comprobamos

La monotonía es un método útil cuando existe, no un requisito de toda convergencia.

2. Convergencia implica acotación; acotación sola permite oscilación

Si aₙ→L, la tolerancia uno encierra una cola en (L−1,L+1).

Los finitos términos anteriores también tienen una cota de magnitud; tomar el mayor de esos límites acota toda la sucesión.

Si aₙ→a y bₙ→b, sumas y productos convergen a a+b y ab.

Para cocientes hace falta b≠0 y denominadores definidos desde algún índice. El límite cero del denominador requiere analizar ritmos, no dividir dos ceros simbólicamente.

Acotada con dos valores persistentes

aₙ=2+(−1)ⁿ.

  1. Valores

    Los pares valen tres y los impares uno.

  2. Acotación

    Todos están entre uno y tres.

  3. No concentración

    Ninguna banda arbitrariamente pequeña alrededor de un único número contiene ambos valores para siempre.

Resultado

Es acotada y no converge.

Lo comprobamos

La acotación no impide separaciones persistentes dentro de una cola.

Denominadores que también tienden a cero

Compara (1/n)/(1/n) y (1/n)/(1/n²).

  1. Primer cociente

    Vale uno en todos los índices.

  2. Segundo

    Vale n y crece sin cota.

  3. Conclusión

    Los mismos límites individuales cero no deciden el cociente.

Resultado

No hay una regla general de dividir 0 entre 0 en límites.

Lo comprobamos

En cambio (1/n)/((n+1)/n)=1/(n+1) tiende a cero y la regla ordinaria sí se aplica porque el denominador tiende a uno.

3. Una subsucesión selecciona índices estrictamente crecientes

Elegimos n₁<n₂<⋯ y formamos a_(nₖ).
Ese crecimiento asegura nₖ→∞.

Repetir eternamente el primer índice no es una subsucesión de este tipo. Podemos omitir tantos índices como queramos, pero no retroceder ni repetirlos.

Si la sucesión original converge a L, todas sus subsucesiones convergen a L. Por tanto dos subsucesiones con límites distintos refutan convergencia. Una sola subsucesión convergente no basta para decidir el resto de los términos.

Separar pares e impares con una pequeña perturbación

aₙ=(−1)ⁿ+1/n.

  1. Pares

    a_(2k)=1+1/(2k)→1.
  2. Impares

    a_(2k+1)=−1+1/(2k+1)→−1.
  3. Contradicción de límites

    Si la original convergiera, ambas partes tendrían el mismo límite.

Resultado

La sucesión original no converge.

Lo comprobamos

La perturbación 1/n desaparece, pero la separación de signos permanece.

Una parte converge y otra ni está acotada

aₙ=0 si n es par y aₙ=n si es impar.

  1. Subsucesión par

    Es constante cero y converge.

  2. Impares

    Crecen sin cota.

  3. Conclusión

    La sucesión completa no converge, pese a la parte convergente.

Resultado

Una muestra infinita favorable no controla toda la cola.

Lo comprobamos

La selección de pares sí usa índices crecientes; repetir a₂ indefinidamente no habría sido una subsucesión válida.

4. Bolzano–Weierstrass extrae una subsucesión de cualquier sucesión real acotada

Encerramos todos los términos en un intervalo cerrado acotado y lo partimos por la mitad. Al menos una mitad contiene términos de infinitos índices. Elegimos esa, volvemos a dividir y repetimos. No basta contener infinitos valores distintos: incluso un valor repetido puede corresponder a infinitos índices.

Elegir una mitad permite extraer índices que sigan avanzando
Intervalos cerrados encajados0101/201/401/8Cada fila conserva infinitos índices.
Esquema de intervalos cero a uno, cero a un medio, cero a un cuarto y cero a un octavo, cerrados y encajados. En la prueba general de Bolzano–Weierstrass se elige en cada paso una mitad con infinitos índices; no tiene por qué ser siempre la mitad izquierda como en este ejemplo.

Los intervalos quedan encajados y su longitud tiende a cero; completitud da un punto común. En cada paso elegimos un índice mayor que el anterior dentro de la mitad escogida. Sus términos se acercan al punto común. El teorema no afirma convergencia de la sucesión completa.

Construir la extracción en un caso sencillo

Para aₙ=1/n en [0,1], elige índices nₖ=2ᵏ.

  1. Primera mitad

    [0,1/2] contiene todos los índices n≥2, infinitos.
  2. Siguientes

    [0,1/4] contiene n≥4; [0,1/8], n≥8, y así sucesivamente.
  3. Selección

    a_(2ᵏ)=2⁻ᵏ→0, con índices cada vez mayores.
Resultado

La extracción se puede ver en los intervalos dibujados.

Lo comprobamos

En una sucesión general no siempre se elige la mitad izquierda; se conserva la que tenga infinitos índices.

Existencia sin identificar el valor de la subsucesión

¿Qué garantiza el teorema para aₙ=sin n?

  1. Acotar

    −1≤sin n≤1.
  2. Aplicar

    Existe al menos una subsucesión convergente con límite en [−1,1].

  3. Alcance

    El argumento no ha calculado su límite ni demostrado convergencia de toda la sucesión.

Resultado

La extracción está garantizada por acotación real.

Lo comprobamos

No elegimos un valor concreto de límite solo porque figure dentro de la cota.

5. Cauchy pide que cualquier pareja tardía esté cerca, aunque sus índices estén muy separados

La condición es: para cada ε>0 existe N tal que |aₙ−a_m|<ε para todos m,n≥N. No aparece un centro L desconocido; pedimos que la cola tenga diámetro cada vez menor. Los dos índices pueden estar arbitrariamente lejos entre sí.

Para refutarla fijamos una tolerancia ε₀>0 y mostramos que después de cualquier N todavía hay dos términos a distancia al menos ε₀. El orden importa: no cambiamos la tolerancia en cada pareja para fabricar un fallo.

Comprobar Cauchy sin nombrar el límite

Para aₙ=1/n, controla una pareja m,n≥N.

  1. Desigualdad

    |1/n−1/m|≤1/n+1/m≤2/N.
  2. Elegir

    N>2/ε hace 2/N<ε.
  3. Universalidad

    La cota vale para cualquier pareja tardía, no solo m=n+1.

Resultado

La sucesión es de Cauchy.

Lo comprobamos

La cota no es la más ajustada, pero basta para probar la condición con claridad.

Una tolerancia fija que refuta Cauchy

aₙ=1+2(−1)ⁿ.

  1. Valores

    Los pares dan tres y los impares menos uno.

  2. Después de cualquier N

    Podemos elegir un índice de cada paridad, ambos al menos N.

  3. Distancia

    Sus términos están a distancia cuatro.

    Fijando ε₀=2 nunca se cumple la condición de cola.
Resultado

No es de Cauchy.

Lo comprobamos

La tolerancia dos se fijó una vez y funciona contra cualquier umbral N propuesto.

6. Conocer un límite permite probar Cauchy por dos distancias pequeñas

Si aₙ→L, elegimos una cola con |aₙ−L|<ε/2.
Para m,n en ella, |aₙ−a_m|≤|aₙ−L|+|a_m−L|<ε.

Esta dirección solo usa la desigualdad triangular, no completitud.

Funciona en cualquier espacio métrico cuando el límite pertenece al espacio. También implica que una sucesión que no es Cauchy no puede converger. Dividir la tolerancia en dos evita perder un factor al juntar las distancias.

Una sucesión oscilante que sí es Cauchy

aₙ=3+(−1)ⁿ/n.

  1. Centro conocido

    Ya probamos aₙ→3.
  2. Dos distancias

    |aₙ−a_m|≤1/n+1/m≤2/N.
  3. Elegir

    N>2/ε hace la pareja completa menor que ε.
Resultado

La oscilación no impide Cauchy cuando su amplitud desaparece.

Lo comprobamos

No se exige monotonía ni que todos los términos estén del mismo lado del centro.

Una tolerancia explícita desde una fórmula

aₙ=1−3⁻ⁿ, n≥0. Encuentra un umbral suficiente para Cauchy con ε=0,01.

  1. Límite

    La potencia 3⁻ⁿ tiende a cero, así que el centro es uno.

  2. Cota de pareja

    |aₙ−a_m|≤3⁻ⁿ+3⁻ᵐ≤2·3⁻ᴺ.
  3. Elegir

    N=5 da 2/243<0,01.
Resultado

N=5 es suficiente con esta cota.

Lo comprobamos

No afirmamos que sea el menor posible: estamos ofreciendo una garantía válida para toda la cola.

7. En ℝ, Cauchy permite recuperar un límite aunque no lo conozcamos de antemano

Una sucesión de Cauchy es acotada: con tolerancia uno, toda una cola está a menos de uno de un término fijo de ella; añadimos una cota para los finitos anteriores. Bolzano–Weierstrass da una subsucesión que converge a algún L real.

Para probar que converge toda, elegimos N que haga distancias entre términos tardíos <ε/2 y un término a_(nₖ) de esa subsucesión con nₖ≥N y distancia a L<ε/2.

Para cualquier n≥N, la distancia de aₙ a L es <ε por triangular.

Esta dirección sí necesita completitud para disponer de ese L dentro de ℝ.

Una parte convergente se propaga al resto cuando hay Cauchy

Sabemos que aₙ es de Cauchy y a_(nₖ)→7. ¿Qué conclusión completa se sigue?

  1. Umbral de pareja

    Fija ε>0 y elige N para distancias tardías menores que ε/2.

  2. Término de enlace

    Elige k con nₖ≥N y |a_(nₖ)−7|<ε/2.
  3. Cualquier n de la cola

    |aₙ−7|≤|aₙ−a_(nₖ)|+|a_(nₖ)−7|<ε.
Resultado

Toda la sucesión converge a siete.

Lo comprobamos

Sin Cauchy, una subsucesión convergente no permitía ese paso al conjunto de términos.

Sumas finitas que forman una sucesión de Cauchy

bₙ=1/2+1/4+⋯+1/2ⁿ, n≥1.

  1. Diferencia de dos sumas

    Para m>n, b_m−bₙ es una cola geométrica positiva menor que 2⁻ⁿ.

  2. Cauchy

    Eligiendo N con 2⁻ᴺ<ε controlamos cualquier pareja con índices al menos N.

  3. Límite real

    La completitud garantiza existencia.

    La identidad bₙ=1−2⁻ⁿ identifica el límite como uno.
Resultado

Se puede asegurar convergencia antes de identificar la suma final.

Lo comprobamos

Cada bₙ es una suma finita bien definida; su límite abre la puerta a las series.

8. Pasos consecutivos pequeños pueden acumular una distancia grande

Que |aₙ₊₁−aₙ|→0 solo controla vecinos.

La definición de Cauchy exige todas las parejas tardías. Si entre n y m hay muchos pasos, su suma puede seguir siendo grande aunque cada paso aislado sea pequeño.

Para refutar esa versión débil elegimos índices separados mediante una regla, como m=2n o m=4n. Buscamos una distancia fija que no desaparezca después de ningún umbral.

La raíz crece despacio pero no concentra su cola

aₙ=√n.

  1. Paso vecino

    √(n+1)−√n=1/[√(n+1)+√n]→0.
  2. Pareja lejana

    a_(4n)−aₙ=2√n−√n=√n.
  3. Refutar

    Para n≥1 esa distancia es al menos uno.

    Después de cualquier N se puede elegir tal pareja.

Resultado

No es de Cauchy.

Lo comprobamos

Racionalizar el paso vecino y encontrar su límite cero no había probado la condición universal de parejas.

Un logaritmo con separación constante

aₙ=ln n.

  1. Vecinos

    aₙ₊₁−aₙ=ln(1+1/n)→0.
  2. Doble índice

    a_(2n)−aₙ=ln2, siempre positivo.
  3. Tolerancia fija

    ε₀=(ln2)/2 es violada por esa pareja después de cualquier N.

Resultado

Los pasos pequeños no bastan para Cauchy ni para convergencia.

Lo comprobamos

La misma tolerancia refuta todos los posibles umbrales, como exige la negación formal.

9. El límite debe pertenecer al espacio donde estudiamos la sucesión

En ℝ y ℂ, Cauchy equivale a convergencia porque son completos. En un subconjunto con la distancia heredada, una sucesión puede ser Cauchy y acercarse a un punto que quedó fuera. Entonces no converge dentro de ese espacio.

También revisamos precisión estricta de los índices: si la condición es <ε, llegar exactamente al borde no basta. Indicamos si N es mínimo o solo suficiente y respetamos el índice inicial de la sucesión.

Racionales que se aproximan a una raíz irracional

dₙ=floor(10ⁿ√3)/10ⁿ. Estúdiala como sucesión en ℚ.

  1. Términos racionales

    Cada dₙ es un entero dividido entre 10ⁿ; 0≤√3−dₙ<10⁻ⁿ.
  2. Cauchy

    |dₙ−d_m|≤10⁻ⁿ+10⁻ᵐ y la cota de cola tiende a cero.
  3. Espacio

    Su límite real es √3, que no es racional. No converge dentro de ℚ.

Resultado

ℚ no es completo con la distancia usual.

Lo comprobamos

El valor floor se define usando la raíz real ya construida; no se afirma que exista una raíz racional.

Un intervalo abierto también puede perder un límite

aₙ=1/(n+1), n≥1, vista como sucesión en (0,1).

  1. Pertenencia

    Todos los términos están estrictamente entre cero y uno.

  2. Cauchy y límite real

    Es Cauchy y tiende a cero en ℝ.

  3. Espacio restringido

    Cero no pertenece a (0,1), así que no tiene límite dentro de ese espacio.

Resultado

La completitud es una propiedad del espacio elegido.

Lo comprobamos

No cambia el cálculo de distancias; cambió el conjunto donde se exige encontrar el límite.

Ahora lo resolvemos de principio a fin.

EJEMPLO RESUELTO 1

Dos límites parciales

Estudia aₙ=(−1)ⁿ.

  1. Acotación

    aₙ=(−1)ⁿ solo toma uno y menos uno.
  2. Pares

    a_(2k)=1 y esa subsucesión converge a uno.
  3. Impares

    a_(2k+1)=−1 y converge a menos uno.
  4. Convergencia imposible

    Una sucesión convergente obligaría a igual límite en ambas partes; no sucede.

  5. Cauchy directo

    Fija ε=1.

    Después de cualquier N hay un par y un impar, a distancia dos.

  6. Resultado

    La distancia dos no es menor que uno: diverge y no es de Cauchy, aunque sea acotada.

Resultado

Diverge y no es de Cauchy.

Lo comprobamos

La acotación no ha impedido dos valores persistentes. Es un contraejemplo a la afirmación de que toda sucesión acotada converge.

EJEMPLO RESUELTO 2

Un índice que funciona

Para aₙ=1/n, encuentra N que garantice |aₙ|<0,01 para n≥N.

  1. Tolerancia

    Se exige 1/n<0,01=1/100.
  2. Despejar

    Como n es positivo, equivale a n>100.
  3. Frontera

    n=100 da igualdad, insuficiente para la condición estricta.
  4. Elegir

    El menor entero permitido es N=101.
  5. Toda la cola

    n≥101 implica 1/n≤1/101<1/100.
  6. Conclusión

    N=101 garantiza la condición y cualquier entero mayor también lo hace.

Resultado

N=101.

Lo comprobamos

El término de índice ciento uno cumple la tolerancia y los siguientes son menores; cualquier N mayor también garantizaría la condición.

Los símbolos que hemos usado

aₙ
Término de índice natural n de la sucesión.
aₙ→L
Los términos están arbitrariamente próximos al real L desde algún índice.
ε, N
Tolerancia positiva y comienzo de la cola que la satisface.
a_(n_k)
Subsucesión seleccionada con índices n_k estrictamente crecientes.
Cauchy
Todo par de términos suficientemente tardíos está arbitrariamente próximo.
Acotada
Existe M finito con |aₙ|≤M para todos los índices.
log x
En este tema significa ln x, logaritmo natural, salvo que se indique otra base.

Ahora te toca a ti.

Tienes cinco ejercicios. Inténtalos; las pistas te ayudan si te atascas.

Practicar este tema →

Para ampliar