Unicidad del límite de las sucesiones convergentes

En Lean, una sucesión \(u₀, u₁, u₂, …\) se puede representar mediante una función \((u : ℕ → ℝ)\) de forma que \(u(n)\) es \(uₙ\).

Se define que \(a\) es el límite de la sucesión \(u\), por

Demostrar con Lean4 que cada sucesión tiene como máximo un límite.

Para ello, completar la siguiente teoría de Lean4:

1. Demostración en lenguaje natural

Tenemos que demostrar que si \(u\) es una sucesión y \(a\) y \(b\) son límites de \(u\), entonces \(a = b\). Para ello, basta demostrar que \(a ≤ b\) y \(b ≤ a\).

Demostraremos que \(b ≤ a\) por reducción al absurdo. Supongamos que \(b ≰ a\). Sea \(ε = b – a\). Entonces, ε/2 > 0 y, puesto que \(a\) es un límite de \(u\), existe un \(A ∈ ℕ\) tal que
\[ (∀n ∈ ℕ)\left[n ≥ A → |u(n) – a| < \frac{ε}{2}\right] \tag{1} \]
y, puesto que \(b\) también es un límite de \(u\), existe un \(B ∈ ℕ\) tal que
\[ (∀n ∈ ℕ)\left[n ≥ B → |u(n) – b| < \frac{ε}{2}\right] \tag{2} \]
Sea \(N = máx(A, B)\). Entonces, \(N ≥ A\) y \(N ≥ B\) y, por (2) y (3), se tiene
\begin{align}
|u(N) – a| &< \frac{ε}{2} \tag{3} \\
|u(N) – b| &< \frac{ε}{2} \tag{4}
\end{align}
Para obtener una contradicción basta probar que \(ε < ε\). Su prueba es
\begin{align}
ε &= b – a \\
&= |b – a| \\
&= |(b – a) + (u(N) – u(N))| \\
&= |(u(N) – a) + (b – u(N))| \\
&≤ |u(N) – a| + |b – u(N)| \\
&= |u(N) – a| + |u(N) – b| \\
&< \frac{ε}{2} + \frac{ε}{2} && \text{[por (3) y (4)]} \\
&= ε
\end{align}

La demostración de \(a ≤ b\) es análoga a la anterior.

2. Demostraciones con Lean4

Demostraciones interactivas

Se puede interactuar con las demostraciones anteriores en Lean 4 Web.

3. Demostraciones con Isabelle/HOL

Si la sucesión u converge a a y la v a b, entonces u+v converge a a+b

Demostrar con Lean4 que si la sucesión \(u\) converge a \(a\) y la \(v\) a \(b\), entonces \(u+v\) converge a \(a+b\).

Para ello, completar la siguiente teoría de Lean4:

Read More «Si la sucesión u converge a a y la v a b, entonces u+v converge a a+b»

La sucesión constante sₙ = c converge a c

En Lean, una sucesión \(s₀, s₁, s₂, …\) se puede representar mediante una función \(s : ℕ → ℝ\) de forma que \(s(n)\) es \(sₙ\).

Se define que a es el límite de la sucesión \(s\), por

Demostrar que el límite de la sucesión constante \(sₙ = c\) es \(c\).

Para ello, completar la siguiente teoría de Lean4:

Read More «La sucesión constante sₙ = c converge a c»

Los límites son menores o iguales que las cotas superiores

En Lean, se puede definir que a es el límite de la sucesión u por

y que a es una cota superior de u por

Demostrar que si x es el límite de la sucesión u e y es una cota superior de u, entonces x ≤ y.

Para ello, completar la siguiente teoría de Lean:

[expand title=»Soluciones con Lean»]

Se puede interactuar con la prueba anterior en esta sesión con Lean.

En los comentarios se pueden escribir otras soluciones, escribiendo el código entre una línea con <pre lang="lean"> y otra con </pre>
[/expand]

[expand title=»Soluciones con Isabelle/HOL»]

En los comentarios se pueden escribir otras soluciones, escribiendo el código entre una línea con <pre lang="isar"> y otra con </pre>
[/expand]

Límite de sucesiones no decrecientes

En Lean, una sucesión u₀, u₁, u₂, … se puede representar mediante una función (u : ℕ → ℝ) de forma que u(n) es uₙ.

En Lean, se define que a es el límite de la sucesión u, por

y que la sucesión u es no decreciente por

Demostrar que si u es una sucesión no decreciente y su límite es a, entonces u(n) ≤ a para todo n.

Para ello, completar la siguiente teoría de Lean:

[expand title=»Soluciones con Lean»]

Se puede interactuar con la prueba anterior en esta sesión con Lean.

En los comentarios se pueden escribir otras soluciones, escribiendo el código entre una línea con <pre lang="lean"> y otra con </pre>
[/expand]

[expand title=»Soluciones con Isabelle/HOL»]

En los comentarios se pueden escribir otras soluciones, escribiendo el código entre una línea con <pre lang="isar"> y otra con </pre>
[/expand]