siruri celebre

133
Numˇ arul e 1. Teoremˇ a (Weierstrass, 1841). (a). Dacˇa¸ sirul (a n ) n R este mono- ton crescˇ ator ¸ si mˇarginit superior, atunci el este convergent la marginea sa superioarˇ a,adicˇa lim n+a n = sup nN a n . (b). Dacˇa¸ sirul (a n ) n R este monoton descrescˇ ator ¸ simˇarginitinferior, atunci el este convergent la marginea sa inferioarˇ a,adicˇa lim n+a n = inf nN a n . 2. Teoremˇ a (Daniel Bernoulli, 1728). S ¸irul (t n ) n definit pentru orice n N prin t n =1+ 1 1! + 1 2! + ··· + 1 n! este strict crescˇ ator ¸ si mˇarginit superior. Reamintim cˇa 0! = 1. Demonstrat ¸ie. Fie n N. S ¸irul (t n ) n este strict crescˇator deoarece t n+1 t n =1/(n + 1)! > 0. Fie n N cu proprietatea n> 2. ˆ Intrucˆat n! > 2 n1 , t n =1+ 1 1! + 1 2! + ··· + 1 n! < 1+1+ 1 2 + 1 2 2 + ··· + 1 2 n1 = =2+ 1/2 1/2 n 1 1/2 =2+1 2 2 n < 2+1=3. 3. Definit ¸ie. Se nume¸ ste numˇ arul e, limita ¸ sirului convergent (t n ) n , adicˇa e = lim n+ 1+ 1 1! + 1 2! + ··· + 1 n! . 4. Teoremˇ a (Jacques (Jakob) Bernoulli, 1690). S ¸irul (x n ) n definit pen- tru orice n N prin x n = 1+ 1 n n 3

Upload: claus160867

Post on 25-Nov-2015

451 views

Category:

Documents


31 download

DESCRIPTION

analiza matematica - siruri

TRANSCRIPT

  • Numarul e

    1. Teorema (Weierstrass, 1841). (a). Daca sirul (an)n R este mono-ton crescator si marginit superior, atunci el este convergent la marginea sa

    superioara, adica

    limn+

    an = supnN

    an.

    (b). Daca sirul (an)n R este monoton descrescator si marginit inferior,atunci el este convergent la marginea sa inferioara, adica

    limn+

    an = infnN

    an.

    2. Teorema (Daniel Bernoulli, 1728). Sirul (tn)n definit pentru orice

    n N printn = 1 +

    1

    1!+

    1

    2!+ + 1

    n!este strict crescator si marginit superior. Reamintim ca 0! = 1.

    Demonstratie. Fie n N. Sirul (tn)n este strict crescator deoarecetn+1 tn = 1/(n+ 1)! > 0. Fie n N cu proprietatea n > 2. Intrucatn! > 2n1,

    tn = 1 +1

    1!+

    1

    2!+ + 1

    n!< 1 + 1 +

    1

    2+

    1

    22+ + 1

    2n1=

    = 2 +1/2 1/2n1 1/2 = 2 + 1

    2

    2n< 2 + 1 = 3.

    3. Definitie. Se numeste numarul e, limita sirului convergent (tn)n,

    adica

    e = limn+

    (1 +

    1

    1!+

    1

    2!+ + 1

    n!

    ).

    4. Teorema (Jacques (Jakob) Bernoulli, 1690). Sirul (xn)n definit pen-

    tru orice n N prinxn =

    (1 +

    1

    n

    )n3

  • este strict crescator, marginit superior si convergent la e, adica

    e = limn+

    (1 +

    1

    n

    )n.

    Demonstratie. Fie n N. Folosind formula binomului lui Isaac New-ton si regula de calcul a combinarilor deducem ca

    xn = 2 +1

    2!

    (1 1

    n

    )+

    1

    3!

    (1 1

    n

    )(1 2

    n

    )+ +

    +1

    k!

    (1 1

    n

    )(1 2

    n

    ). . .

    (1 k 1

    n

    )+ +

    +1

    n!

    (1 1

    n

    )(1 2

    n

    ). . .

    (1 n 1

    n

    )si ca

    xn+1 = 2 +1

    2!

    (1 1

    n+ 1

    )+

    1

    3!

    (1 1

    n+ 1

    )(1 2

    n+ 1

    )+ +

    +1

    k!

    (1 1

    n+ 1

    )(1 2

    n+ 1

    ). . .

    (1 k 1

    n+ 1

    )+ +

    +1

    n!

    (1 1

    n+ 1

    )(1 2

    n+ 1

    ). . .

    (1 n 1

    n+ 1

    )+

    +1

    (n+ 1)!

    (1 1

    n+ 1

    )(1 2

    n+ 1

    ). . .

    (1 n

    n+ 1

    ).

    Din1

    k!

    (1 1

    n

    )(1 2

    n

    ). . .

    (1 k 1

    n

    ) a1a2 . . . anan+1 xn+1 > xn,

    iar pentru b1 = 1, b2 = = bn = bn+1 = bn+1 = 1 + 1navem ca

    b1b2 . . . bnbn+1bn+2 >

    n+ 21b1

    +1

    b2+ + 1

    bn+

    1

    bn+1+

    1

    bn+2

    n+2

    yn+1 < yn.

    In final obtinem ca zn+1 < zn+2 1/yn < 1/yn+1.

    12

  • Functia logaritmica

    1. Definitie. Se numeste functia logaritmica functia f : (0,+) Rdefinita pentru orice x (0,+) prin

    f(x) =

    x1

    1

    tdt.

    2. Teorema. Fie x, y (0,+), n Z, r Q, a R si f : (0,+)R functia logaritmica. Sunt adevarate afirmatiile:

    (a). Daca x (0, 1), atunci f(x) < 0;(b). Daca x (1,+), atunci f(x) > 0;(c). f(1) = 0, f(1/x) = f(x);(d). Functia f : (0,+) R este strict crescatoare, continua si deriva-

    bila cu f (x) = 1/x;(e). f(xy) = f(x) + f(y), f(x/y) = f(x) f(y);(f). f(xn) = nf(x), f(xr) = rf(x); (g). f(xa) = af(x), f(e) = 1.

    13

  • Siruri monotone

    1. Propozitie. Fie t (1,+). Atuncit

    1 + t ln(1 + t) t.

    2. Propozitie (Costovici, 2002). Fie a (1, 0] si sirul (un)n definitpentru orice n N prin un =

    (1 +

    1

    n+ a

    )n+1. Atunci sirul (un)n este

    monoton descrescator.

    Demonstratie. Fie f : [1,+) (0,+) definita pentru orice x [1,+) prin f(x) =

    (1 +

    1

    x+ a

    )x+1. Fie x [1,+). Din ln f(x) =

    (x+ 1) ln

    (1 +

    1

    x+ a

    )rezulta ca

    f (x)f(x)

    = ln

    (1 +

    1

    x+ a

    ) x+ 1

    (x+ a)(x+ a+ 1) 1x+ 1

    1 1x+ 1

    +x+ a

    x(x+ 1)=

    a 1x(x+ 1)

    0.

    17

  • Din f : [1,+) (0,+) crescatoare rezulta ca sn = f(n) f(n + 1) =sn+1 pentru orice n N.

    10. Propozitie. Pentru orice x (0,+) au loc inegalitatile2

    2x+ 1< ln

    (1 +

    1

    x

    ) 1.

    Pentru monotonia sirului (n)n consideram functia f : (0,+) (0,+)definita pentru orice x (0,+) prin f(x) =

    (1 +

    1

    x

    )x(1 +

    1

    2x+ 1

    ). Fie

    x (0,+). Din ln f(x) = x ln(1 +

    1

    x

    )+ ln

    (1 +

    1

    2x+ 1

    )rezulta ca

    f (x)f(x)

    = ln

    (1 +

    1

    x

    ) 1x+ 1

    1(x+ 1)(2x+ 1)

    = ln

    (1 +

    1

    x

    ) 2

    1 + 2x> 0.

    12. Propozitie. (Trif, 1996 ). Sirul (an)n definit pentru orice n Nprin an =

    nn!/n este strict descrescator.

    18

  • Demonstratie. Fie n N. Avem de aratat can+1(n+ 1)!

    n+ 1 1n+ 1

    +1

    (n+ 1)(n+ 2)+

    +1

    (n+ 1)(n+ 2)(n+ 3)+

    1

    (n+ 1)(n+ 2)(n+ 3)(n+ 4).

    Prin urmare este suficient sa aratam ca

    1

    n+ 1+

    1

    (n+ 1)(n+ 2)+

    1

    (n+ 1)(n+ 2)(n+ 3)+

    +1

    (n+ 1)(n+ 2)(n+ 3)(n+ 4)>

    n+ 1

    n2 + n+ 1,

    adica

    n+ 3

    (n+ 1)(n+ 2)+

    n+ 5

    (n+ 1)(n+ 2)(n+ 3)(n+ 4)>

    n+ 1

    n2 + n+ 1

    20

  • sau echivalent

    (n+ 3)2(n+ 4) + n+ 5

    (n+ 1)(n+ 2)(n+ 3)(n+ 4)>

    n+ 1

    n2 + n+ 1.

    Dupa efectuarea calculelor constatam ca inegalitatea

    (n3 + 10n2 + 34n+ 41)(n2 + n+ 1) > (n4 + 10n3 + 35n2 + 50n+ 24)(n+ 1)

    este echivalenta cu inegalitatea 41 > 24.

    16. Propozitie (Mihalache, 2005; Tetiva, 2005). Fie sirurile (tn)n si

    (an)n definite pentru orice n N prin

    tn = 1 +1

    1!+

    1

    2!+ + 1

    n!si an = tn +

    n+ 1

    n!(n2 + n+ 1).

    Atunci sirul (an)n este strict crescator. In plus pentru orice n N,n+ 1

    n!(n2 + n+ 1)< e tn < 1

    n n! .

    17. Propozitie. Are loc relatia

    limn+

    n

    (e

    (1 +

    1

    n

    )n)=

    e

    2.

    Demonstratie. Consideram f : (0,+) R definita pentru orice x (0,+) prin

    f(x) = (1 + x)1/x.

    Fie x (0,+). Atunci din ln f(x) = ln(1 + x)x

    rezulta ca

    f (x)f(x)

    =

    x

    1 + x ln(1 + x)x2

    .

    Aplicand regula lui Bernoulli-LHospital obtinem ca

    limx0

    e (1 + x)1/xx

    = limx0

    f (x)1

    = limx0

    f(x)ln(1 + x) x

    1 + xx2

    =

    21

  • = e limx0

    ln(1 + x) x1 + x

    x2= e lim

    x0

    1

    1 + x 1

    (1 + x)2

    2x=

    = e limx0

    x

    2x(1 + x)2=

    e

    2.

    Prin urmare limx0

    e f(x)x

    =e

    2. In baza teoremei lui Heine obtinem ca

    limn+

    n

    (e

    (1 +

    1

    n

    )n)= lim

    n+e f(1/n)

    1/n=

    e

    2.

    18. Propozitie (Mihalache, 2005; Tetiva, 2005). Functia f : (1,+)(0,+) definita pentru orice x (0,+) prin f(x) = x

    (1 +

    1

    x

    )xeste srict

    crescatoare si strict convexa.

    Demonstratie. Fie x (0,+). Reamintim ca2

    2x+ 1< ln

    (1 +

    1

    x

    ) 0

    22

  • iar

    f (x) =(1 +

    1

    x

    )2 [x ln2

    (1 +

    1

    x

    )+

    2

    x+ 1ln

    (1 +

    1

    x

    ) x+ 3

    (x+ 1)2

    ]>

    >

    (1 +

    1

    x

    )x [ 4x(2x+ 1)2

    +4

    (x+ 1)(2x+ 1) x+ 3

    (x+ 1)2

    ]=

    =

    (1 +

    1

    x

    )x 3x+ 1(x+ 1)2(2x+ 1)2

    > 0.

    19. Propozitie (Mihalache, 2005; Tetiva, 2005). Sirul (an)n definit

    pentru orice n N prin

    an = n

    (e

    (1 +

    1

    n

    )n)este strict crescator.

    Demonstratie. Fie n N si xn =(1 +

    1

    n

    )n. Inegalitatea an < an+1

    este echivalenta cu inegalitatea (n+ 1)xn+1 nxn < e. Intrucat

    limn+

    ((n+ 1)xn+1 nxn) = limn+

    [(n+ 1)(xn+1 e) n(xn e) + e] =

    = e2+e

    2+ e = e

    rezulta ca este suficient sa demonstram ca sirul ((n+ 1)xn+1 nxn)n estestrict crescator. Inegalitatea (n+1)xn+1 nxn < (n+2)xn+2 (n+1)xn+1,adica

    (n+ 1)

    (1 +

    1

    n+ 1

    )n+1 0.

    26. Propozitie (Mihalache, 2005; Tetiva, 2005). Sirul (dn)n definit

    pentru orice n N prin

    dn = (n+ 1)

    [(1 +

    1

    n

    )n+1 e

    ]este strict descrescator.

    Demonstratie. Fie n N si yn =(1 +

    1

    n

    )n+1. Inegalitatea dn+1 < dn

    este echivalenta cu inegalitatea (n+ 2)yn+1 (n+ 1)yn < e. Intrucat

    limn+

    ((n+ 2)yn+1 (n+ 1)yn) =

    = limn+

    [(n+ 1)(yn+1 e) n(yn e) + yn+1 yn + e] = e2 e

    2+ 0 + e = e

    rezulta ca este suficient sa aratam ca sirul ((n+ 2)yn+1 (n+ 1)yn)n estestrict crescator. Dar

    (n+ 2)yn+1 (n+ 1)yn = (n+ 1)yn+1 nyn + yn+1 yn.

    Reamintim ca sirul ((n+ 1)yn+1 nyn)n este strict crescator. Deducem caeste suficient sa demonstram ca sirul (yn+1 yn)n este strict crescator. Ine-galitatea yn+1 yn < yn+2 yn+1 adica

    yn+1

    >

    (1 +

    1

    n+ 2

    ) n+ 1n+ 2

    =(n+ 2)2 1(n+ 2)2

    = 1 1(n+ 2)2

    .

    Prin urmare

    0 < 1 xnxn+1

    0.

    Avem ca

    un+1un

    =(n+ 1)!

    (n+ 1)n+1 n

    n

    n!=

    (n

    n+ 1

    )n=

    1

    (1 + 1/n)n.

    Din

    limn+

    un+1un

    = limn+

    1

    (1 + 1/n)n=

    1

    e

    rezulta ca limn+

    an = limn+

    nun = f1/e. Fie n N. In continuare, avem

    can+1(n+ 1)!nn!

    =(n+ 1)an+1

    nan=n+ 1

    n

    an+1an

    si ca(n+1(n+ 1)!nn!

    )n=

    ( n+1(n+ 1)!nn!

    )n+1 nn+1 = ((n+ 1)!(n!)

    n+1n

    ) nn+1

    =

    =

    ((n+ 1)!

    n! nn!

    ) nn+1

    =

    (n+ 1nn!

    ) nn+1

    =

    (n+ 1

    n

    1

    an

    ) nn+1

    .

    Rezulta ca

    limn+

    bnnn!

    = limn+

    (n+1(n+ 1)!nn!

    1)

    = limn+

    (n+ 1

    n

    an+1an

    1)= 0,

    si ca

    limn+

    (n+1(n+ 1)!nn!

    )n= lim

    n+

    (n+ 1

    n

    1

    an

    ) nn+1

    = e.

    Prin urmare

    e = limn+

    (n+1(n+ 1)!nn!

    )n= lim

    n+

    [(

    1 +bnnn!

    ) nn!/bn]n/ nn!bn

    = ee limn+ bn,

    33

  • de unde

    limn

    bn = 1/e.

    A doua varianta (Dumitru Batinetu Giurgiu, 1989; Marius Somodi,

    1989). Fie n N. Notam

    xn =

    (1 +

    1

    n

    )n=

    (n+ 1

    n

    )nsi an =

    nn!

    n.

    Fie v1 = 1/xn, v2 = v3 = . . . = vn+1 = an. Tinand seama de inegalitatea

    dintre media aritmetica si media geometrica,

    v1 + v2 + . . .+ vn+1n+ 1

    n+1v1v2 . . . vn+1,

    deducem ca

    1

    xn+nan (n+1) n+1

    1

    xn n!nn

    = n+1

    (n+ 1)n+1 n!

    (n+ 1)n= n+1

    (n+ 1)!.

    Prin urmare

    bn =n+1(n+ 1)! n

    n! 1/xn.

    Pe de alta parte, tinand seama de inegalitatea dintre media geometrica si

    media armonica,

    n+1v1v2 . . . vn+1 n+ 11

    v1+

    1

    v2+ . . .+

    1

    vn+1

    ,

    rezulta can+1(n+ 1)!

    n+ 1 n+ 1

    xn + n2/nn!.

    Obtinem ca

    bn =n+1(n+ 1)! n

    n! (n+ 1)

    2 nn!

    nn!xn + n2

    nn! =

    =(n+ 1)2 n

    n! xn( n

    n!)2 n2 nn!

    nn!xn + n2

    =(2n+ 1) n

    n! xn( n

    n!)2

    nn!xn + n2

    34

  • (2 +

    1

    n

    )

    nn!

    n xn

    (nn!

    n

    )21 + xn

    nn!

    n2

    =

    (2 +

    1

    n

    )un xnu2n

    1 +xnunn

    .

    Am obtinut dubla inegalitate:(2 +

    1

    n

    )un xnu2n

    1 + xnun/n bn 1

    xn.

    Cu formula lui DAlembert-Cauchy, avem ca

    limn+

    an = limn+

    n

    n!

    nn= lim

    n+(n+ 1)!

    (n+ 1)n+1 n

    n

    n!= lim

    n+1(

    n+ 1

    n

    )n = 1e .Trecand la limita n dubla inegalitate de mai sus rezulta ca

    21

    e e 1

    e2

    1 + e 1e 0 lim

    n+bn 1

    e.

    Folosind criteriul clestelui rezulta ca limn+

    bn = 1/e.

    A treia varianta (Wladimir Bosko, 2004; Bogdan Suceava, 2004). Fie

    n N. Putem scrie

    bn =nn!

    n

    (n+1(n+ 1)!nn!

    1)n.

    Ca la prima varianta, se arata ca

    limn+

    nn!

    n=

    1

    e, de unde lim

    n+

    n+1(n+ 1)!nn!

    = 1.

    Fie n N. Punandsn =

    n+1(n+ 1)!nn!

    1,

    35

  • rezulta ca

    bn =nn!

    n snln(sn + 1)

    lnn+1((n+ 1)!)n

    n!.

    Folosind formula lui DAlembert-Cauchy din

    limn+

    ((n+ 1)!)n

    (n!)n+1 ((n 1)!)

    n

    (n!)n1= lim

    n+

    (n+ 1

    n

    )n= e,

    obtinem ca

    limn+

    n+1((n+ 1)!)n

    n!= e.

    In concluzie

    limn+

    bn = 1/e.

    3. Teorema (Sandor, 1989). Fie sirul (bn)n definit pentru orice n Nprin

    bn =n+1(n+ 1)! n

    n!.

    Atunci sirul (bn)n este strict descrescator. Altfel spus Sirul lui Traian

    Lalescu este strict descrescator.

    4. Teorema (Lupas, 2001; Nicula, 1987; Vernescu, 2011). Pentru orice

    n N are loc inegalitatea1(

    1 +1

    n

    )n+1 < n+1(n+ 1)! nn! < 1(1 +

    1

    n

    )n .

    5. Propozitie (Ioachimescu, 1895). Fie sirul (bn)n definit pentru orice

    n N prinbn = 1 +

    12+

    13+ + 1

    n 2n.

    Atunci sirul (bn)n este convergent la un numar (2,1).6. Propozitie (Vernescu, 2006). Fie sirurile (an)n, (bn)n si (sn)n definite

    pentru orice n N prin

    sn = 1 +12+ + 1

    n, an = sn 2

    n+ 1, bn = sn 2

    n.

    36

  • Atunci

    (a). Pentru orice n N, an < bn.(b). Sirul (an)n este strict crescator.

    (c). Sirul (bn)n este strict descrescator.

    (d). limn+

    an = = limn

    bn, unde (2,1).(e). Pentru orice n N, 1

    2n+ 1

    < an < 12n.

    (f). Pentru orice n N, 12n+ 1

    < bn < 12n.

    (g). limn+

    n( an) = 1

    2= lim

    n+n(bn ).

    Demonstratie. Fie k, n N. Din

    2(

    k + 1k) 0.

    Astfel am demonstrat ca

    2 < sn 2n+ 1 = an < bn = sn 2

    n b1 = 1,

    an < an+1, bn+1 < bn si ca limn+

    an = limn+

    bn = (2,1), deoarece2 < a2. In continuare punem

    un = an +1

    2n+ 1

    = sn 2n+ 1 +

    1

    2n+ 1

    ,

    vn = an +1

    2n= sn 2

    n+ 1 +

    1

    2n,

    37

  • wn = bn 12n+ 1

    = sn 2n 1

    2n+ 1

    ,

    n = bn 12n= sn 2

    n 1

    2n.

    Vom arata ca un < un+1, vn+1 < vn si ca wn+1 < wn, n < n+1. Evident

    un+1 un > 0 12n+ 2

    +1

    2n+ 1

    > 2(

    n+ 2n+ 1)

    n+ 1 +

    n+ 2

    n+ 1 n+ 2 >4

    n+ 1 +n+ 2

    (

    n+ 2n+ 1)2

    > 0.

    Analog vn vn+1 > 0 2(

    n+ 2n+ 1) > 32n+ 1

    12n

    2n+ 2 +

    n+ 1

    >3nn+ 1

    2nn+ 1

    4nn+ 1+n+ 1n+ 2+ n+ 1 > 3nn+ 2+ 3nn+ 1 n+ 1

    (n+

    n+ 1 +

    n+ 2

    )> 3nn+ 2

    n+

    n+ 1 +

    n+ 2

    3>

    n(n+ 2)

    n+ 1.

    Dar

    n+

    n+ 1 +

    n+ 2

    3>

    3

    nn+ 1

    n+ 2 iar 6

    n(n+ 1)(n+ 2) >

    n(n+ 2)

    n+ 1 (n+1)2 > n(n+2). In continuare dupa efectuarea calculelor

    se obtine ca wn wn+1 > 0 vn vn+1 > 0. In final

    n+1n > 0n+ 1 +

    n

    2nn+ 1

    >2

    n+ 1 +n

    (n+ 1n

    )2> 0.

    Ultimele afirmatii din enunt sunt imediate.

    7. Propozitie. (Mihalache 2005, Tetiva, 2005). Fie sirul (bn)n definit

    pentru orice n N prin

    bn + 1 +12+

    13+ + 1

    n 2n

    38

  • si = limn+

    bn. Atunci sirul (n)n definit pentru orice n N prin n =n(bn ) este strict crescator.

    Demonstratie. Fie n N. Atunci

    n < n+1 n(bn ) 1

    2x2 > 0, . . . , xn >

    1

    2xn1 > 0.

    Rezulta ca

    xn+1 >1

    2xn > 0.

    Din principiul inductiei matematice rezulta ca xk > 0 pentru orice k N.(b). Avem ca

    x2n+1 a =1

    4

    (x2n + 2a+

    a2

    x2n

    ) a = 1

    4

    (xn a

    xn

    )2 0;

    41

  • (c). Fie n N. Atunci

    xn+2xn+1 = 12

    (xn+1 +

    a

    xn+1

    )xn+1 = 1

    2

    (a

    xn+1 xn+1

    )=a x2n+12xn+1

    0.

    (d). Fie n N. Atunci 0 < . . . xn+1 xn . . . x1. Sirul(xn+1)n fiind descrescator si marginit inferior este convergent. Fie b R cub = lim

    n+xn. Avem ca b 0, deoarece limita unui sir convergent pozitiv este

    pozitiva. In cazul de fata b = infnN

    xn = limn+

    xn 0. Din b = limn+

    xn =

    limn+

    xn+1 si din relatia de recurenta

    xn+1 =1

    2

    (xn +

    a

    xn

    )

    prin trecere la limita pentru n +, obtinem ca b = 12(b + a/b), de unde

    b = a/b sau echivalent b2 = a.

    14. Teorema (Newton, 1669). Fie a (0,+). Atunci sirul (xn)ndefinit pentru orice n N prin

    x0 = 1, xn+1 =xn(3 x2na)

    2

    este convergent cu limn+

    xn = 1/a.

    15. Teorema (Newton, 1669). Fie a (0,+). Atunci sirul (xn)ndefinit pentru orice n N prin

    x0 = 1, xn+1 = 2xn x2na

    este convergent cu limn+

    xn = 1/a.

    16. Propozitie. Functia f : (1,+) R definita pentru orice x (1,+) prin f(x) = (1 1/x)x este strict crescatoare cu

    limx+

    f(x) = limx+

    (1 1

    x

    )x=

    1

    e.

    42

  • Demonstratie. Fie g : (1,+) R definita pentru orice x (1,+)prin g(x) = ln

    (1 1

    x

    )+

    1

    x 1. Fie x (1,+). Atunci

    ln f(x) = x ln

    (1 1

    x

    ),

    f (x)f(x)

    = g(x), g(x) = 1x(x 1)2 < 0.

    Din g : (1,+) R strict descrescatoare avem ca g(x) > g(+) =lim

    x+g(x) = 0. Rezulta ca f (x) > 0. Concluzionam ca f : (1,+) R

    este strict crescatoare si ca

    limx+

    (ln f(x)) = limx+

    ln(1 1/x)1/x

    = limx+

    1/x2

    1 1/x21/x2 = 1,

    de unde limx+

    f(x) = e1 = 1/e.

    17. Teorema (Joseph Wolstenholme (18291891), Nicolas Bourbaki

    (19352000), Isac Jacob Schoenberg (19031990)). Avem ca

    limn+

    1n + 2n + + nnnn

    =e

    e 1 .

    Demonstratie. Fie n N. Punem sn = 1n + 2n + + nn

    nn. Atunci

    sn =(nn

    )n+

    (n 1n

    )n+ +

    (2

    n

    )n+

    (1

    n

    )n=

    = 1 +

    (1 1

    n

    )n+ +

    (1 n 2

    n

    )n+

    (1 n 1

    n

    )n=

    = 1 +n1j=1

    (1 j

    n

    )n= 1 +

    n1j=1

    [(1 1

    n/j

    )n/j]j 0 pentru orice x R. Pentru oricen N cu proprietatea ca n 2 punem

    An =1

    n (P (1) + P (2) + . . .+ P (n))

    si

    Gn =nP (1)P (2) . . . P (n) =

    (P (1)P (2) . . . P (n)

    )1/n.

    50

  • Atunci

    limn+

    AnGn

    =em

    m+ 1.

    Demonstratie. Fie a0, a1, a2, . . . , am R cu a0 = 0 astfel ncat

    P = a0Xm + a1X

    m1 + . . .+ am1X + am.

    Atunci a0 (0,+) iar m N este par. Aceasta rezulta din P (x) > 0pentru orice x R si

    limx+

    P (x) = a0(+)m, limx

    P (x) = a0()m.

    Intr-adevar, reamintim ca orice polinom de grad impar din R[X] are cel putino radacina reala. Aceasta n combinatie cu P (x) > 0, pentru orice x R,conduce la faptul ca m N este par. Rezulta ca

    limx+

    P (x) = limx

    P (x) = a0 (+) ={

    + , a0 > 0 , a0 < 0.

    Daca am avea a0 < 0, atunci din proprietatile limitei am deduce ca exista

    t R cu proprietatea P (t) < 0, care este n contradictie cu ipoteza. Acumfie k N si n N cu proprietatea n 2. Punem

    sn,k = 1k + 2k + . . .+ nk.

    Avem ca

    P (1) = a0 1m + a1 1m1 + . . .+ am1 1 + amP (2) = a0 2m + a1 2m1 + . . .+ am1 2 + am

    ......

    P (n) = a0 nm + a1 nm1 + . . .+ am1 n+ am.Rezulta ca

    An =P (1) + P (2) + . . .+ P (n)

    n=

    51

  • = a0 sn,mn

    + a1 sn,m1n

    + . . .+ am1 sn,1n

    + am

    si ca

    lnP (1)

    1m+ ln

    P (2)

    2m+ . . .+ ln

    P (n)

    nm

    n=

    lnP (1)P (2) . . . P (n)

    (n!)m

    n=

    =1

    nln

    Gnn(n!)m

    = lnGn

    (n!)m/n.

    Cu teorema Stolz-Cesaro avem ca

    limn+

    sn,knk+1

    =1

    k + 1.

    Rezulta ca

    limn+

    Annm

    = limn+

    mk=0

    aksn,mknm+1

    = limn+

    mk=0

    aksn,mknmk+1

    1

    nk=

    =mk=0

    ak1

    m k + 1(

    limn+

    1

    nk

    )=

    a0m+ 1

    .

    Din

    limn+

    P (n)

    nm= a0,

    cu teorema Stolz-Cesaro obtinem ca

    limn+

    lnGn

    (n!)m/n= lim

    n+

    lnP (1)

    1m+ ln

    P (2)

    2m+ . . .+ ln

    P (n)

    nm

    n= lim

    n+lnP (n)

    nm= ln a0.

    Rezumand avem ca

    limn+

    AnGn

    (nn!

    n

    )m=

    a0m+ 1

    1a0

    =1

    m+ 1,

    de unde

    limn+

    AnGn

    = limn+

    AnGn

    (nn!

    n

    )m(

    nn!

    n

    )m =

    52

  • =limn+

    AnGn

    (nn!

    n

    )m

    limn+

    (nn!

    n

    )m =1

    m+ 1(1

    e

    )m = emm+ 1 .

    53

  • Ordine de aproximare

    1. Propozitie (Polya, 1978; Szego, 1978). Pentru orice n N au locinegalitatile

    2n

    2n+ 1 e 1 rezulta ca xn = n(a1/n 1) > 0. Vom arata

    102

  • ca

    xn+1 = (n+ 1)(a1/(n+1) 1

    )< n

    (a1/n 1

    )= xn.

    Evident, inegalitatea precedenta este echivalenta cu inegalitatea

    a1/(n+1) 1 < n(a1/n a1/(n+1)

    ).

    Punand b := a1/(n+1) avem ca b > 1 si ca bk bn sau echivalent bk/n b,pentru orice k = 0, 1, 2, . . . , n 1. Observam ca a1/n/a1/(n+1) = a1/n(n+1) =b1/n si ca inegalitatea de demonstrat este echivalenta cu inegalitatea b 1 1. In plus, pentru orice n N,

    xn = n(na 1) = n(1/ nt 1) = n(

    nt 1)nt

    .

    In acest caz convergenta sirului (xn)n rezulta din cele de mai sus si din

    operatii cu siruri convergente.

    4. Definitie. Se numeste functia logartimica naturala, functia L :

    (0,+) R definita pentru orice x (0,+) prin

    L(x) = limx+

    n( nx 1).

    5. Teorema. Functia L : (0,+) R are proprietatile:(a). L(1) = 0;

    (b). Pentru orice a (1,+), L(a) 0;(c). Pentru orice a (0, 1), L(a) 0;(d). Pentru orice a, b (0,+), L(ab) = L(a) + L(b);(e). Pentru orice a (0,+), L(a) a 1;

    103

  • (f). limt0

    L(1 + t)

    t= 1;

    (g). Pentru orice a (0,+), limt0

    L(a+ t) L(a)t

    =1

    a.

    Demonstratie. (a). Evident L(1) = limn+

    n( n1 1) = 0.

    (b). Daca a (1,+), atunci din a1/n > 1 pentru orice n N rezultaca L(a) = lim

    n+n( na 1) 0.

    (c). In cazul a (0, 1) din 1/a > 1 si din (b). rezulta ca

    L(a) = limn+

    n( na 1) = lim

    n+n( n(1/a) 1)n(1/a)

    = L(1/a) 0.

    (d). Fie a, b (0,+). Atunci pentru orice n N avem can(

    nab 1) = n

    2( na 1)( n

    b+ 1) +

    n

    2(nb 1)( na+ 1).

    Trecand la limita pentru n + obtinem ca

    L(ab) = L(a) limn+

    1 + nb

    2+ L(b) lim

    n+1 + n

    a

    2= L(a) + L(b).

    (e). Fie a (0,+), n N si xn := n( na 1). Daca a (1,+),atunci 0 < xn+1 < xn < x1 = a 1. Trecand la limita pentru n obtinem ca 0 L(a) a 1. Acum presupunem ca a (0, 1). Atuncib = a1/n (0, 1). Prin urmare b 1 (1, 0). Din inegalitatea lui Bernoullirezulta ca

    a = bn =(1 + (b 1))n > 1 + n(b 1) = 1 + xn.

    Trecand la limita pentru n + obtine ca a 1 + L(a).(f). Din (e) avem ca pentru orice t (1,+) L(1 + t) t. Daca

    t (0, 1), atunci rezulta ca L(1 + t)t

    1, iar daca t (1, 0), atunciL(1 + t)

    t 1. Evident din ultimele doua inegalitati rezulta ca

    limt0

    L(1 + t)

    t= 1.

    104

  • (g). Fie a (0,+). Pentru orice t R cu a+ t (0,+) avem ca

    L(a+ t) L(a)t

    =

    L

    (a(1 +

    t

    a

    )) L(a)

    t=

    =L(a) + L

    (1 +

    t

    a

    ) L(a)

    t=L(1 +

    t

    a

    )t

    a

    1a.

    De aici rezulta ca

    limt0

    L(a+ t) L(a)t

    =t

    alimt0

    L(1 + t/a

    )t/a

    =1

    alimu0

    L(1 + u)

    u=

    1

    a.

    105

  • Functia putere

    1. Teorema. Fie a (0, 1) (1,+) fixat. Atunci functia exponen-tiala cu baza a, Ea : R (0,) definita pentru orice x R prin

    Ea(x) := E(xL(a)

    )= ax

    are urmatoarele proprietati:

    (a). Pentru orice x, y R, Ea(x+ y) = Ea(x)Ea(y);(b). Pentru orice x R, Ea(x) 1 + xL(a);(c). Pentru orice x, y R, Ea(xy) = Eax(y) = Eay(x);(d). lim

    x0Ea(x) Ea(0)

    x= L(a); (e). Ea(0) = 1 si Ea(1) = a;

    (f). Pentru orice x, y R cu x < y si orice a (1,), Ea(x) < Ea(y);(g). Pentru orice x, y R cu x < y si orice a (0, 1), Ea(y) < Ea(x);(h). Pentru orice x R, Ea(x) = 1/Ea(x);

    (i). limx

    Ea(x) =

    {+ , 0 < a < 10 , 1 < a;

    (j). limx+

    Ea(x) =

    {0 , 0 < a < 1

    + , 1 < a;(k). Pentru orice n N si orice a (1,+), Ea(n) na;(l). Pentru orice t R, lim

    xtEa(x) = Ea(t).

    2. Teorema. Fie a (0, 1) (1,+) fixat. Atunci functia logarit-mica cu baza a, La : (0,+) R) definita pentru orice x (0,+)prin:

    La(x) :=L(x)

    L(a)= loga x

    are urmatoarele proprietati:

    (a). Pentru orice u, v (0,+)La(uv) = La(u) + La(v);(b). Pentru orice u, v (0,+) cu u < v si orice a (1,+),

    La(u) < La(v);

    106

  • (c). Pentru orice u, v (0,+) cu u < v si orice a (0, 1),La(u) > La(v);

    (d). Pentru orice u (0,+) si orice b (0, 1) (1,+),La(u) = Lb(u)La(b);

    (e). Pentru orice u (0,+), La(1/u) = La(u);(f). Pentru orice u (0,+), L1/a(u) = La(u);

    (g). limu0

    La(u) =

    {+ , 0 < a < 1 , 1 < a;

    (h). limu0

    La(u) =

    { , 0 < a < 1+ , 1 < a;

    (i). Pentru orice x R si orice b (0,+), La(Eb(x)) = xLa(b);(j). lim

    u0La(1 + u)

    u= La(e); (k). lim

    u0Ea(u) 1

    u= 1/La(e).

    3. Teorema. Fie R fixat. Atunci functia putere de exponent, P : (0,+) (0,+) definita pentru orice x (0,+) prin

    P(x) = E(L(x)) = x

    are urmatoarele proprietati:

    (a). Pentru orice x, y (0,+), P(xy) = P(x)P(y);(b). Pentru orice x (0,+), P(x) 1 + L(x);(c). P(1) = 1;

    (d). limx1

    P(x) P(1)x 1 = ; (e). limx0P(x) =

    {+ , < 00 , > 0;

    (f). limx+

    P(x) =

    {0 , < 0

    + , > 0;

    (g). limx0

    P(1 + x) 1x

    = ;

    107

  • (h). Pentru orice a (1,+) si orice (0,+), limx+

    P(x)

    Ea(x)= 0;

    (i). Pentru orice (0,+), limx+

    L(x)

    P(x)= 0;

    (j). Pentru orice (0,+), limx0

    L(x)P(x) = 0.

    108

  • Produsul seriilor

    1. Nota. Fie+n=0

    xn,+n=0

    yn doua serii de numere reale si R un

    scalar real. Atunci seria+n=0

    (xn + yn) se numeste suma seriilor+n=0

    xn

    si+n=0

    yn, iar seria+n=0

    xn se numeste nmultirea scalarului cu seria

    +n=0

    xn. Reamintim ca daca seriile+n=0

    xn si+n=0

    yn sunt convergente, atunci

    seriile+n=0

    (xn + yn) si+n=0

    xn sunt convergente si au loc relatiile

    +n=0

    (xn + yn) =+n=0

    xn ++n=0

    yn si+n=0

    xn = +n=0

    xn.

    Altfel spus, n raport cu operatiile obisnuite de adunare a seriilor si de

    nmultirea a seriilor cu scalari multimea seriilor convergente formeaza un

    spatiu liniar real.

    2. Nota. In afara de operatiile obisnuite de adunare a seriilor si de

    nmultire a seriilor cu scalari se poate introduce si produsul Cauchy al seriilor

    numerice.

    3. Definitie. Fie+n=0

    xn si+n=0

    yn doua serii de numere reale. Seria

    +n=0

    (n

    k=0

    xkynk

    )se numeste produsul seriilor

    +n=0

    xn si+n=0

    yn.

    4. Teorema (Mertens, 1875). Daca seriile de numere reale+n=0

    xn si

    +n=0

    yn sunt convergente si au sumele x respectiv y si cel putin una din ele este

    absolut convergenta, atunci seria produs+n=0

    (n

    k=0

    xkynk

    )este convergenta

    109

  • si are suma w = xy.

    Demonstratie. Presupunem ca seria+n=0

    xn este absolut convergenta si

    punem a :=+n=0

    |xn|. Fie n N. Cu notatiile sn = x0 + x1 + + xn, tn =

    y0 + y1 + + yn, wn =n

    k=0

    xkynk, zn = w0 + w1 + + wn, rn = y tn si

    x =+n=0

    xn, y =+n=0

    yn avem ca

    zn = (x0y0) + (x0y1 + x1y0) + + (x0yn + x1yn1 + + xny0) =

    = x0(y0 + y1 + ...+ yn) + x1(y0 + y1 + ...+ yn1) + ...+ xny0 =

    = x0tn+x1tn1+ +xnt0 =n

    k=0

    xktnk =n

    k=0

    xk(yrnk) = ysnn

    k=0

    xkrnk.

    Rezulta ca |zn xy| |y| |x sn| +n

    k=0

    |xk| |rnk|. Prin urmare este sufi-

    cient sa aratam ca limn+

    nk=0

    |xk||rnk| = 0. Din limn+

    tn = y, deducem ca

    limn+

    rn = 0. Fie > 0. Exista j N astfel ncat pentru orice n N cu pro-

    prietatea n j avem ca |rn| /2a. Din convergenta seriei+n=0

    xn rezulta

    ca limn+

    xn = 0. Prin urmare exista p N astfel ncat pentru orice n Ncu proprietatea n p avem ca

    |xn| < 2(|r0|+ |r1|+ . . . |rj|) .

    Considerand n N cu proprietatea n > j + p avem can

    k=0

    |xk| |rnk| =n

    k=0

    |rk| |xnk| =j1k=0

    |rk| |xnk|+

    110

  • +n

    k=j

    |rk| |xnk| 0 si n N. Punem tn = xn

    n |b|.

    Exista r > 0 astfel ncat |b| r si |bn| r, pentru orice n N. Din

    112

  • limn+

    an = a = 0, deducem ca exista j N astfel ncat, pentru orice k Ncu proprietatea k > j avem ca |ak| < /4r. De asemenea putem alege m jastfel ncat, pentru orice n N cu proprietatea n > m avem ca |tn| < |b| sica

    r(|a1|+ + |aj|)n

    < /2. Rezulta ca daca n N este astfel ncat n > m,atunci

    |a1bn + a2bn1 + + ajbn+1j + a1+jbnj + + anb1|n

    |a1| |bn|+ + |aj| |bn+1j|n

    +|a1+j| |bnj|+ + |an| |b1|

    n

    rn(|a1|+ + |aj|) +

    4r

    |b1|+ + |bnj|n

    p rezulta ca |tk| < /2x,unde x =

    +n=1

    |xn|. Punand a =p

    m=1

    |tm|, putem determina q N astfel ncatpentru orice j N cu proprietatea j > q avem ca |xj| < /2a. Rezulta cadaca n N este astfel ncat n > q + p 1, atunci

    |yn| = |t1xn + t2xn1 + + tpxn+1p + t1+pxnp + + tnx1| |t1| |xn|+ + |tp| |xn+1p|+ |t1+p| |xnp|+ + |tn| |x1| q + p 1 avem ca |yn| < . De aici putem concluziona ca lim

    n+yn = 0.

    10. Exercitiu. Aratati ca produsul seriilor divergente

    1+n=1

    (3

    2

    )nsi 1 +

    +n=1

    (3

    2

    )n1(2n +

    1

    2n+1

    )este o serie absolut convergenta.

    114

  • Functia exponentiala

    1. Propozitie. Pentru orice x R seria numerica+n=0

    xn

    n!= 1 +

    x

    1!+x2

    2!+ ...+

    xn

    n!+ ...

    este absolut convergenta.

    Demonstratie. Pentru x = 0 convergenta absoluta a seriei este ime-

    diata. Fie x R. Evident

    limn+

    |xn+1/(n+ 1)!||xn/n!| = limn+

    |x|n+ 1

    = 0 < 1.

    Din criteriului raportului al lui DAlembert obtinem ca seria data este absolutconvergenta pentru orice x R.

    2. Definitie. Se numeste functia exponentiala functia exp : R Rdefinita pentru orice x R prin

    exp(x) := 1 +x

    1!+x2

    2!+ ...+

    xn

    n!+ ... .

    Uneori n loc de exp(x) vom scrie ex, pentru orice x R.3. Propozitie. Fie x, y R. Sunt adevarate afirmatiile:(a). e0 = 1, ex+y = exey, ex > 0;

    (b). Daca x, y R sunt astfel ncat x < y, atunci ex < ey.

    Demonstratie. Pentru x = 0, avem ca e0 = 1. Fie x, y R. Seriile

    ex =+n=0

    xn

    n!si ey =

    +n=0

    yn

    n!

    fiind absolut convergente, produsul lor este o serie absolut convergenta. Prin

    urmare

    exey =

    (+n=0

    xn

    n!

    )(+n=0

    yn

    n!

    )=

    +n=0

    (n

    k=0

    xkynk

    k!(n k)!

    )=

    115

  • =+n=0

    (1

    n!

    nk=0

    n!

    k!

    xkynk

    (n k)!

    )=

    +n=0

    (1

    n!

    nk=0

    Cknxkynk

    )=

    +n=0

    1

    n!(x+ y)n = ex+y.

    Este evident faptul ca ex > e0 = 1 pentru orice x > 0. Fie x R. Din1 = e0 = ex+(x) = exex, deducem ca ex = 1/ex. Daca x < 0, atuncix > 0, de unde ex 1 si prin urmare ex = 1/ex > 0. In final fie x, y Rastfel ncat x < y. Din y x > 0 rezulta ca 1 < eyx = eyex = ey/ex, deunde ex < ey.

    4. Propozitie. Functia exponentiala este continua pe R.

    Demonstratie. Fie t R si n N. Scriem

    et =n

    j=0

    tj

    j!+

    +j=n+1

    tj

    j!= sn(t) + rn(t).

    Pentru |t| < 1 avem ca

    |et sn(t)| = |rn(t)| |t|n+1

    (n+ 1)!

    (1 +

    |t|n+ 2

    +|t|2

    (n+ 2)(n+ 3)+ . . .

    )

    1(n+ 1)!

    (1 +

    1

    n+ 2+

    1

    (n+ 2)2+ . . .

    )=n+ 2

    n+ 1

    1

    (n+ 1)!.

    Fie > 0. Din cele de mai sus deducem ca exista k N astfel ncat pentruorice n N cu proprietatea n k si orice t R cu |t| < 1 avem ca

    |et sn(t)| = |rn(t)| n+ 2n+ 1

    1

    (n+ 1)!< /2.

    Punem Qk(t) :=t

    1!+t2

    2!+ . . .+

    tk

    k!pentru orice t R. Daca |t| < 1, atunci

    avem ca

    |et 1| = |Qk(t) + rk(t)| |Qk(t)|+ |rk(t)| < |Qk(t)|+ /2.

    Fiind o functie polinomiala, functia Qk : R R este continua n 0. Prinurmare exista 1 > 0 astfel ncat pentru orice t R, cu |t| < 1 avem ca

    |Qk(t)Qk(0)| = |Qk(t)| < /2.

    116

  • Rezumand cele de mai sus obtinem ca pentru orice > 0 exista :=

    min{1, 1} astfel ncat pentru orice t R cu |t| < avem ca |et 1| < ,continuitatea functiei exponentiale n 0. Continuitatea functiei exponentiale

    ntr-un punct arbitrar a R rezulta din egalitatea ex ea = ea(exa 1).5. Teorema. Functia exponentiala exp : R R are proprietatile(a). e0 = 1; lim

    x0ex = 1;

    (b). Pentru orice x, y R, ex+y = exey;(c). Pentru orice x R, ex = 1/ex;(d). Pentru orice x R, ex > 0;(e). Pentru orice x R, ex > 1 + x;(f). Pentru orice x (, 1), 1 + x ex 1

    1 x ;

    (g). Pentru orice x (0, 1), 1 ex 1x

    11 x ;

    (h). Pentru orice x (1, 0), 11 x

    ex 1x

    1;

    (i). limx0

    ex 1x

    = 1; (j). Pentru orice a R, limxa

    ex = a;

    (k). Pentru orice x, y R cu x < y, ex < ey;(l). Pentru orice a R, lim

    xaex eax a = e

    a;

    (m). limx

    ex = +; limx

    ex = 0; limx+

    ex

    x= +.

    6. Consecinta. Functia exponentiala exp : (R,+) ((0,+), ) esteun izomorfism de grupuri strict crescator si derivabil cu exp (x) = exp(x),pentru orice x R.

    7. Propozitie. Fie f : R R o functie derivabila si g : R R definitapentru orice x R prin

    g(x) = (exp f)(x) = ef(x).

    Atunci g : R R este derivabila si g(x) = f (x) ef(x) = f (x) g(x), pentruorice x R.

    117

  • Functia logaritmica

    1. Propozitie. Pentru orice x (0,+), seria numerica+n=0

    2

    2n+ 1

    (x 1x+ 1

    )2n+1este absolut convergenta.

    2. Definitie. Se numeste functia logaritmica functia ln : (0,+) R definita pentru orice x (0,+) prin

    ln x :=+n=0

    2

    2n+ 1

    (x 1x+ 1

    )2n+1.

    3. Lema. (a). Fie G = (1, 1). In raport cu legea de compozitie definita pentru orice x, y G prin x y = x+ y

    1 + xyperechea (G, ) este grup

    abelian.

    (b). Aplicata f : ((0,+), ) (G, ) definita pentru orice x (0,+) prin f(x) = x 1

    x+ 1este un izomorfism de grupuri.

    4. Lema. Fie h : (0,+) R definita pentru orice x (0,+) prin

    h(x) =

    x1

    1

    tdt.

    Atunci pentru orice x, y (0,+) sunt adevarate relatiile h(1/x) = h(x)si h(xy) = h(x) + h(y).

    5. Propozitia. Functia logaritmica ln : (0,+) R este derivabila culn (x) = 1/x, pentru orice x (0,+).

    6. Consecinta. Daca g : R (0,+) este o functie derivabila atuncifunctia ln g : R R este o functie derivabila cu (ln g)(x) = g

    (x)g(x)

    pentru

    orice x R.7. Propozitie. Sunt adevarate afirmatiile:

    (a). Daca 0 < t < 1 < x, atunci < ln t < ln 1 = 0 < ln x < +;(b). Pentru orice x, y (0,+), ln(xy) = ln x+ ln y;

    118

  • (c). Pentru orice x (0,+), ln(1/x) = ln x;(d). Pentru orice x (0,+), elnx = x;(e). Pentru orice x R, ln ex = x.

    Demonstratie. (a) si (c). Afirmatiile sunt imediate.

    (b). Fie x, y (0,+). Exista si sunt unice u, v (1, 1) astfel ncatx =

    1 + u

    1 u si y =1 + v

    1 v . Intrucat u =x 1x+ 1

    si v =y 1y + 1

    rezulta ca

    ln x+ ln y = ln1 + u

    1 u + ln1 + v

    1 v =+n=0

    2

    2n+ 1u2n+1 +

    +n=0

    2

    2n+ 1v2n+1 =

    = 2+n=0

    ( u0

    t2ndt

    )+ 2

    +n=0

    ( v0

    t2ndt

    )=

    = 2

    u0

    (+n=0

    t2n)dt+2

    v0

    (+n=0

    t2n)dt = 2

    u0

    1

    1 t2dt+2 v0

    1

    1 t2dt =

    =

    u0

    (1

    1 + t+

    1

    1 t)dt+

    v0

    (1

    1 + t+

    1

    1 t)dt =

    = h(1+u)h(1u)+h(1+v)h(1v) = h ((1 + u)(1 + v))h ((1 u)(1 v)) =

    = h ((1 + u)(1 + v)) + h

    (1

    (1 u)(1 v))= h

    ((1 + u)(1 + v)

    (1 u)(1 v))=

    = h

    1 +u+ v

    1 + uv

    1 u+ v1 + uv

    = h(1 + u v1 u v

    )= h(1 + u v) + h

    (1

    1 u v)=

    = h(1 + u v) h(1 u v) = 1+uv1

    1

    tdt

    1uv1

    1

    tdt =

    =

    uv0

    1

    1 + sds

    uv0

    1

    1 sds = 2 uv0

    1

    1 s2ds.Pe de alta parte

    ln(xy) = ln

    (1 + u

    1 u 1 + v

    1 v)= ln

    (1 + u v1 u v

    )=

    119

  • =+n=0

    2

    2n+ 1(u v)2n+1 = 2

    +n=0

    ( uv0

    t2ndt

    )=

    = 2

    uv0

    (+n=0

    t2n)dt = 2

    uv0

    1

    1 t2dt.

    In concluzie

    ln x+ ln y = 2

    uv0

    1

    1 s2ds = 2 uv0

    1

    1 t2dt = ln(xy).

    (d). Urmeaza sa determinam functia g : (0,+) (0,+) definitapentru orice x (0,+) prin g(x) = elnx. Fie x (0,+). Atuncig(x) = (ln x)elnx =

    1

    xg(x) de unde

    g(x)g(x)

    =1

    x. Aceasta arata ca functiile

    ln g, ln : (0,+) R au aceeasi derivata. Deducem ca exista c Rastfel ncat ln(g(x)) = c + ln x. Rezulta ca c = ln g(x) ln x = ln g(x)

    x. In

    particular c = lng(1)

    1= ln 1 = 0. Concluzionam ca ln g(x) = ln x, de unde

    g(x) = x, deoarece functia logaritmica fiind strict crescatoare este injectiva.

    (e). Urmeaza sa determinam functia w : R R definita pentruorice x R prin w(x) = ln ex. Fie x R. Avem ca

    w(x) = (ln exp)(x) = exp(x)

    exp(x)=

    exp(x)

    exp(x)= 1.

    Deducem ca exista c R astfel ncat w(x) = x + c, de unde c = w(x) x.In particular c = w(0) 0 = ln 1 = 0. In concluzie ln ex = w(x) = x.

    8. Definitie. Fie a (0, 1) (1,+) fixat. Se numeste functiaexponentiala cu baza a, functia Ea : R (0,+) definita pentru orice x R prin

    Ea(x) = ax := ex ln a.

    9. Definitie. Fie a (0, 1)(1,+) fixat. Se numeste functia logarit-mica cu baza a functia La : (0,+) R definita pentru orice x (0,+)prin

    La(x) = loga x := (ln x)/(ln a)

    120

  • Fie x (0,+). Numarul La(x) se numeste logaritmul lui x n baza a.10. Propozitie. (a). Functia exponentiala exp : R (0,+) este o

    bijectie continua strict crescatoare.

    (b). Functia logaritmica ln : (0,+) R este o bijectie strict crescatoare.Demonstratie. Functia exponentiala f : R (0,+) definita pentru

    orice x R prin f(x) = ex, este continua si strict crescatoare. Fiind strictcrescatoare, ea este injectiva. Intrucat f : R (0,+) are proprietatea luiDarboux, f(R) este un interval. Din ex > 1 + x pentru orice x > 0 avem ca

    supxR

    ex = limx+

    ex = +.

    Din ex = 1/ex pentru orice x R rezulta ca

    infxR

    ex = limx

    ex = limx

    1/ex = 0.

    Obtinem ca f(R) = (0,+). Prin urmare functia exponentiala f : R (0,+), definita pentru orice x R prin f(x) = ex este o bijectie continuastrict crescatoare ntre intervalele R si (0,+).

    11. Exercitiu. Sa se arate ca:

    (a). limx

    ln x

    x= 0; (b). lim

    x0ln x

    x= ;

    (c). limx+

    (1 +

    1

    x

    )x= e; (d). lim

    x

    (1 +

    1

    x

    )x= e.

    121

  • Functiile trigonometrice sinus si cosinus

    1. Propozitie. Pentru orice x R, seriile numerice:+n=0

    (1)n x2n+1

    (2n+ 1)!:= x x

    3

    3!+x5

    5! x

    7

    7!+ ...

    si+n=0

    (1)n x2n

    (2n)!:= 1 x

    2

    2!+x4

    4! x

    6

    6!+ ...

    sunt absolut convergente.

    Demonstratie. Convergenta absoluta n 0 beste imediata. Faptul ca

    cele doua serii sunt absolut convergente pe R rezulta din criteriul raportuluia lui DAlembert, deoarece pentru orice x R,

    limn+

    ( x2n+3(2n+ 3)! / x2n+1(2n+ 1)!

    ) = limn+ x2(2n+ 2)(2n+ 3) = 0,lim

    n+

    ( x2n+2(2n+ 2)! / x2n(2n)!

    ) = limn+ x2(2n+ 1)(2n+ 2) = 0.2. Definitie. Se numeste functia sinus, functia sin : R R definita

    pentru orice x R prin

    sin x :=+n=0

    (1)n x2n+1

    (2n+ 1)!= x x

    3

    3!+x5

    5! x

    7

    7!+ . . . .

    3. Definitie. Se numeste functia cosinus, functia cos : R R definitapentru orice x R prin

    cos x :=+n=0

    (1)n x2n

    (2n)!= 1 x

    2

    2!+x4

    4! x

    6

    6!+ . . . .

    4. Propozitie. Fie x, y R. Sunt adevarate afirmatiile:

    122

  • (a). sin 0 = 0; cos 0 = 1; cos(x) = cosx; sin(x) = sin x;(b). sin(x y) = sin x cos y sin y cos x;(c). cos(x y) = cos x cos y sin x sin y;(d). Au loc relatiile:

    sin2 x+ cos2 x = 1; sin 2x = 2 sin x cos x; cos 2x = cos2 x sin2 x.

    Demonstratie. Fie x, y R. Relatiile

    sin 0 = 0; cos 0 = 1; sin(x) = sin x; cos(x) = cos x

    rezulta direct din definitie. In continuare avem ca

    sin x cos y + sin y cosx =

    (+n=0

    (1)n x2n+1

    (2n+ 1)!

    )(+n=0

    (1)n y2n

    (2n)!

    )+

    +

    (+n=0

    (1)n y2n+1

    (2n+ 1)!

    )(+n=0

    (1)n x2n

    (2n)!

    )=

    =+n=0

    (n

    k=0

    (1)k x2k+1

    (2k + 1)!(1)nk y

    2n2k

    (2n 2k)!

    )+

    ++n=0

    (n

    k=0

    (1)k y2k1

    (2k + 1)!(1)nk x

    2n2k

    (2n 2k)!

    )=

    =+n=0

    nk=0

    (1)nx2k+1y2n2k + y2k+1x2n2k

    (2k + 1)!(2n 2k)! =

    =+n=0

    (1)n (x+ y)2n+1

    (2n+ 1)!= sin(x+ y).

    Rezulta ca

    sin(xy) = sin(x+(y)) = sin x cos(y)+sin(y) cos x = sin x cos ysin y cos x.

    Analog avem ca,

    cosx cos y sin x sin y =(

    +n=0

    (1)n x2n

    (2n)!

    )(+n=0

    (1)n y2n

    (2n)!

    )

    123

  • (

    +n=0

    (1)n x2n+1

    (2n+ 1)!

    )(+n=0

    (1)n y2n+1

    (2n+ 1)!

    )=

    =+n=0

    (n

    k=0

    (1)k x2k

    (2k)!(1)nk y

    2n2k

    (2n 2k)!

    )

    +n=0

    (n

    k=0

    (1)k x2k+1

    (2k + 1)!(1)nk y

    2n2k+1

    (2n 2k + 1)!

    )=

    = 1 ++n=1

    nk=0

    (1)n x2ky2n2k

    (2k)!(2n 2k)!+

    ++n=0

    nk=0

    (1)n+1 x2k+1y2n2k+1

    (2k + 1)!(2n 2k + 1)! = 1++n=1

    nk=0

    (1)n x2ky2n2k

    (2k)!(2n 2k)!+

    ++n=1

    n1k=0

    (1)n x2k+1y2n2k1

    (2k + 1)!(2n 2k 1)! =

    = 1 ++n=1

    (1)n(

    nk=0

    x2ky2n2k

    (2k)!(2n 2k)! +n1k=0

    x2k+1

    (2k + 1)!

    y2n2k1

    (2n 2k 1)!

    )=

    = 1 ++n=1

    (1)n (x+ y)2n

    (2n)!=

    +n=0

    (1)n (x+ y)2n

    (2n)!= cos(x+ y).

    Rezulta ca,

    cos(x y) = cos(x+ (y)) = cosx cos(y) sin x sin(y) =

    = cosx cos y sin x( sin y) = cosx cos y + sin x sin y.Avem ca

    1 = cos 0 = cos(x x) = cos x cos x+ sin x sin x = cos2 x+ sin2 x

    cos 2x = cos(x+ x) = cosx cosx sin x sin x = cos2 x sin2 xsi ca

    sin 2x = sin(x+ x) = sin x cos x+ sin x cos x = 2 sin x cosx.

    124

  • 5. Consecinta. Fie x, y R. Sunt adevarate afirmatiile:(a). sin x+ sin y = 2 sin

    x+ y

    2cos

    x y2

    ;

    (b). sin x sin y = 2 sin x y2

    cosx+ y

    2;

    (c). cosx+ cos y = 2 cosx+ y

    2cos

    x y2

    ;

    (d). cos x cos y = 2 sin x+ y2

    sinx y2

    .

    6. Consecinta. Fie x R. Au loc inegalitatile(a). 1 sin x 1; (b). 1 cos x 1.Altfel spus, au loc inegalitatile | sin x| 1 si | cosx| 1.7. Propozitie. Sunt adevarate afirmatiile:

    (a). Din 0 x 6 rezulta ca 0 sin x x si ca

    1 x2/2! cos x 1 x2/2! + x4/4!;

    (b). Din |x| 6 rezulta ca | sin x| |x|;(c). Din 0 x 2 rezulta ca 0 < cosx;(d). Are loc inegalitatea 0 > cos 2.

    Demonstratie. Pentru orice x [0,6] si orice n N avem caxn

    n! x

    n+2

    (n+ 2)!=xn

    n!

    (1 x

    2

    (n+ 1)(n+ 2)

    )> 0.

    Prin urmare din x [0,6] rezulta ca

    sin x =

    (x x

    3

    3!

    )+

    (x5

    5! x

    7

    7!

    )+ ...+

    (x4k+1

    (4k + 1)! x

    4k+3

    (4k + 3)!

    )+ ... 0;

    sin x = x(x3

    3! x

    5

    5!

    ) ...

    (x4k+3

    (4k + 3)! x

    4k+5

    (4k + 5)!

    ) ... x;

    cos x = 1 x2

    2!+

    (x4

    4! x

    6

    6!

    )+ ...+

    (x4k

    (4k)! x

    4k+2

    (4k + 2)!

    )+ ... 1 x

    2

    2!;

    cosx = 1 x2

    (2!)+x4

    4!(x6

    6! x

    8

    8!

    ) ...

    (x4k+2

    (4k + 2)! x

    4k+4

    (4k + 4)!

    ) ...

    125

  • 1 x2

    2!+x4

    4!.

    Concluzionam ca din 0 x 6 rezulta ca 0 sin x x si ca 1 x2

    2!

    cos x 1 x2

    2!+x4

    4!. In plus, de aici deducem ca, daca |x| 6, atunci

    | sin x| |x| si ca, daca 0 x 2, atunci cosx > 0. Din 0 < 2 > 6rezulta ca,

    cos 2 1 22

    2!+

    24

    4!= 1

    3< 0.

    8. Propozitie. Functiile trigonometrice sinus si cosinus sunt continue

    pe R.

    Demonstratie. Deoarece pentru orice x R cu |x| 2 avem ca| sin x| |x|, din lim

    nxn = 0 rezulta ca lim

    n+sin xn = 0. Fie a R un

    punct arbitrar fixat. Daca limn+

    xn = a, atunci limn+

    sin(a xn) = 0. Inplus

    limn+

    sina xn

    2= 0.

    Aceasta combinata cu

    limn+

    | sin xn sin a| = limn+

    2

    cos xn + a2 sin xn a2

    lim

    n+2

    sin xn a2 = 0

    si

    limn+

    | cosxn cos a| = limn+

    2

    sin a+ xn2 sin a xn2

    lim

    n+2

    sin a xn2 = 0,

    ne asigura continuitatea functiilor sinus si cosinus n punctul a.

    9. Consecinta. Pentru orice x R avem ca

    | sin x| |x|,

    126

  • cu egalitate daca si numai dcaa x = 0.

    10. Remarca. Functiile trigonometrice sinus si cosinus permit introdu-

    cerea corecta si riguroasa a numarului .

    11. Propozitie. Exista un numar real cu proprietatile:

    (a). 2 < < 4; cos(/2) = 0; sin(/2) = 1; sin = 0; cos = 1;sin(3/2) = 1; cos(3/2) = 0; sin 2 = 0; cos 2 = 1;

    (b). Pentru orice x R,

    sin(x+ 2) = sin x; cos(x+ 2) = cosx;

    sin(/2 + x) = cosx; sin(/2 x) = cosx;cos(/2 + x) = sin x; cos(/2 x) = sin x;

    sin( + x) = sin x; sin( x) = sin x;cos( + x) = cosx; cos( x) = cos x;

    (c). Din 0 x < /2 rezulta ca cosx > 0.Demonstratie. Din cele de mai sus deducem ca daca t (0,6), atunci

    0 < sin t < t si 1 t2

    2< cos t < 1 t

    2

    2+

    t4

    24. In plus, deoarece 0 0 pentru orice x (0, ) si din continu-itatea functiilor sinus si cosinus rezulta continuitatea functiei cotangenta.

    Relatiile limx

    cos x = 1, limx

    sin x = 0 si limx0

    sin x = 0, limx0

    cosx = 1

    combinate cu sin x > 0 pentru orice x (0, ) dau limx0

    ctg x = + silimx

    ctg x = . Prin urmare ctg : (0, ) R este o surjectie continua.Daca 0 < x < y < atunci y x (0, ) si

    ctgy ctgx = sin(y x)sin x sin y

    < 0,

    de unde deducem ca functia cotangenta este strict descrescatoare pe (0, ).

    130

  • 16. Teorema. (a). Functia arcsinus, inversa functiei sinus, arcsin :

    [1, 1] [/2, /2] este o bijectie continua strict crescatoare.(b). Functia arccosinus, inversa functiei cosinus, arccos : [1, 1]

    [0, ] este o bijectie continua strict descrescatoare.

    (c). Pentru orice x (1, 1),

    arcsin (x) =1

    1 x2 , arccos(x) = 1

    1 x2 .

    (d). Functia arctangenta, inversa functiei tangenta, arctg : R (/2, /2)este o bijectie continua strict crescatoare.

    (e). Functia arccotangenta, inversa functiei cotangenta, arcctg : R(0, ) este o bijectie continua strict descrescatoare.

    (f). Pentru orice x R,

    arctg (x) =1

    1 + x2, arcctg (x) = 1

    1 + x2.

    131

  • Functii hiperbolice

    1. Definitie. Se numeste sinus hiperbolic, functia sh : R R definitapentru orice x R prin

    sh x =ex ex

    2=

    +n=0

    x2n+1

    (2n+ 1)!= x+

    x3

    3!+x5

    5!+ + x

    2n+1

    (2n+ 1)+ . . . .

    2. Definitie. Se numeste cosinus hiperbolic, functia ch : R Rdefinita pentru orice x R prin

    ch x =ex + ex

    2=

    +n=0

    x2n

    (2n)!= 1 +

    x2

    2!+x4

    4!+ + x

    2n

    (2n)!+ . . . .

    3. Definitie. Se numeste tangenta hiperbolica, functia th : R Rdefinita pentru orice x R prin

    thx =sh x

    ch x=ex exex + ex

    =e2x 1e2x + 1

    .

    4. Definitie. Se numeste cotangenta hiperbolica functia cth : R R definita pentru orice x R prin

    cth x =ch x

    sh x=ex + ex

    ex ex =e2x + 1

    e2x 1 .

    5. Propozitie. Fie x, y R. Sunt adevarate afirmatiile(a). sh 0 = 0; ch 0 = 1; sh (x) = sh x, ch (x) = ch x;(b). sh (x) = ch x; ch (x) = sh x; (c). ch 2x sh 2x = 1;(d). ch (x y) = chx ch y sh x sh y;(e). sh (x y) = sh x ch y ch x sh y.6. Propoztie. (a). Functia sinus hiperbolic sh : R R este o bijectie

    continua strict crescatoare.

    132

  • (b). Functia arcsinus hiperbolic, inversa functiei sinus hiperbolic,

    arcsh : R R este o bijectie continua strict crescatoare. In plus pentruorice x R,

    arcsh x = ln(x+

    x2 + 1

    ).

    7. Propozitie. (a). Functia cosinus hiperbolic ch : (, 0) (1,+) este o bijectie continua strict descrescatoare.

    (b). Functia arccosinus hiperbolic, inversa functiei cosinus hiper-

    bolic, arcch : (1,+) (, 0) este o bijectie continua strict descrescatoare.In plus pentru orice x (1,+),

    arcch x = ln(x+

    x2 1

    ).

    8. Propozitie. (a). Functia cosinus hiperbolic ch : (0,+) (1,+) este o bijectie continua strict crescatoare.

    (b). Functia arccosinus hiperbolic, inversa functiei cosinus hiper-

    bolic, arcch : (1,+) (0,) este o bijectie continua strict crescatoare.In plus pentru orice x (1,+),

    arcch x = ln(x+

    x2 1

    ).

    9. Propozitie. Fie x, y R. Sunt adevarate afirmatiile:(a). th 0 = 0; th (x) = thx; th (x) = 1

    ch 2x;

    (b). th (x+ y) =th x+ th y

    1 + th xth y; (c). th (x y) = th x th y

    1 th xth y .(d). Functia tangenta hiperbolica th : R (1, 1) este o bijectie

    continua strict crescatoare;

    (e). Functia arctangenta hiperbolica, inversa functiei tangenta

    hiperbolica, arcth : (1, 1) R este o bijectie continua strict crescatoare.In plus pentru orice x (1, 1),

    arcthx =1

    2ln

    1 + x

    1 x.

    133

  • (f). Functia cotangenta hiperbolica cth : (, 0) (,1) este obijectie continua strict descrescatoare;

    (g). Functia arccotangenta hiperbolica, inversa functiei cotangenta

    hiperbolica, arccth : (,1) (, 0) este o bijectie continua strictdescrescatoare. In plus pentru orice x (,1)

    arccth x =1

    2lnx+ 1

    x 1(h). Functia cotangenta hiperbolica cth : (0,+) (1,+) este o

    bijectie continua strict descrescatoare;

    (i). Functia arccotangenta hiperbolica, inversa functiei cotangenta

    hiperbolica, arccth : (1,+) (0,+) este o bijectie continua strict de-screscatoare. In plus pentru orice x (1,+)

    arccth x =1

    2lnx+ 1

    x 1

    134

  • Completari

    1. Propozitie. Pentru orice x [1, 1] seria numerica

    x++n=1

    1 3 5 ... (2n 1)2n(2n+ 1)n!

    x2n+1

    este absolut convergenta.

    2. Definitie. Se numeste functia arcsinus, functia arcsin : [1, 1] Rdefinita pentru orice x [1, 1] prin

    arcsin x = x++n=1

    1 3 5 ... (2n 1)2n(2n+ 1)n!

    x2n+1.

    3. Propozitie. Pentru orice x (1, 1) si orice R seria bino-miala

    +n=1

    ( 1)...( n+ 1)n!

    xn

    este absolut convergenta.

    4. Definitie. Fie R. Se numeste binomul lui Newton general-izat, functia N : (1, 1) R definita pentru orice x (1, 1) prin

    N(x) = (1 + x) :=

    +n=1

    ( 1)...( n+ 1)n!

    xn.

    135