Erklärung, Beschreibung und Bedeutung über Folge (Mathematik)

Folge (Mathematik) Bedeutung, Erklärung und Definition.

Eine in ihrer Anordnung festgelegte Auflistung von endlich oder unendlich vielen Zahlen heißt in der Mathematik Zahlenfolge oder kurz Folge. Die einzelnen Zahlen, aus denen die Folge zusammengesetzt ist, heißen die Glieder der Folge.

In den meisten Anwendungen sind die Folgenglieder ganze, rationale oder reelle Zahlen. In der Funktionalanalysis wird der Begriff Folge erweitert, so dass die Folgenglieder Elemente eines beliebigen metrischen Raums sein dürfen. Folgen, deren Glieder nicht Zahlen, sondern Mengen sind, werden in einem eigenen Artikel Mengenfolge behandelt.

Table of contents
1 Anwendungen
2 Formale Definition
3 Bildungsgesetz einer Folge
4 Charakterisierung von Folgen
5 Wichtige Folgen
6 Noch nicht eingebaut
7 Weblinks

Anwendungen

Zeitreihen, wie sie zum Beispiel durch die Aufzeichnung von Temperaturbeobachtungen oder Wirtschaftsdaten entstehen, können mathematisch als Folgen aufgefasst werden.

In der Informatik kann man Felder (Arrays) als endliche Folgen auffassen.

Unendliche Folgen können gegen einen Grenzwert konvergieren. Die Theorie der Grenzwerte unendlicher Folgen ist eine wichtige Grundlage der Analysis: auf ihr beruhen die Berechnung von Grenzwerten von Funktionenen, die Definition der Ableitung (Differentialquotient als Grenzwert einer Folge von Differenzenquotienten) und der Riemannsche Integralbegriff. Wichtige Folgen erhält man als Koeffizienten von Taylorreihen stetiger Funktionen; manche elementare Funktionen wie tan x führen dabei auf recht exotische Folgen wie zum Beispiel die Bernoullischen oder Eulerschen Zahlen.

Eine Reihe ist eine Folge, deren Glieder als Summen von Gliedern einer anderen Folge aufgefasst werden. Reihen werden insbesondere zur sukzessiven Approximation irrationaler Zahlenwerte verwandt; siehe dazu den Artikel Reihe (Mathematik).

Formale Definition

Weil die Glieder einer Folge in ihrer Reihenfolge festgelegt sind, kann jedes Glied durch eine Art "Hausnummer", den Index, eindeutig bezeichnet werden. Die Indizes entnimmt man fast immer der Menge der natürlichen Zahlen N; je nach Anwendungsfall schließt man dabei die Null ein (bei Bedarf explizit als Menge N0 notiert) oder nicht (Menge N+).

Wie so oft, kehrt man in der formalen Definition die Logik der Begriffsentstehung um und erklärt eine unendliche Folge als eine Funktion

die jedem Index i aus der Indexmenge N ein Folgenglied ai aus der Zielmenge X zuordnet. In der Regel ist X ein metrischer Raum; in der Schulmathematik und in den wichtigsten Anwendungsfällen ist X ganz konkret die Menge der reellen Zahlen R.

Für eine endliche Folge mit n Gliedern entnimmt man den Index statt aus N aus einer endlichen Menge, und zwar üblicherweise entweder aus der Menge {0, ..., n-1} oder aus der Menge {1, ..., n}.

Randbemerkung: Diese Wahlmöglichkeit spiegelt sich auch in der Computertechnik wieder: in älteren (Fortran) oder didaktischen (Pascal) Programmiersprachen werden n-dimensionale Felder mit Indizes zwischen 1 und n adressiert; in den meisten Sprachen werden jedoch Indizes von 0 bis n-1 verwendet.

Zur Notation: Es ist gebräuchlich, eine Folge mit runden oder spitzen Klammern als (ai) oder <ai> zu notieren; davon zu unterscheiden ist die Bildmenge der Folge {ai | i aus N}.
Beispiel: Die Folge 0, 1, 0, 2, 0, 4, ... hat die Bildmenge { 0, 1, 2, 4, ... }.

Bildungsgesetz einer Folge

Eine endliche Folge kann man angeben, indem man sämtliche Folgenglieder nennt. Bei einer unendlichen Folge geht das offensichtlich nicht; stattdessen muss man das Bildungsgesetz der Folge in anderer Form mitteilen.

Folgen, deren Bildungsgesetz sich als Funktionsvorschrift oder Rekursion mitteilen lassen, werden zuweilen regelmäßige Folgen genannt. Dies ist jedoch keine mathematisch strenge Klassifikation, da letzten Endes jede Folge, die überhaupt wohldefiniert ist, eine Funktionsvorschrift besitzt; bei unregelmäßigen Folgen lässt sich lediglich sagen, dass die Angabe einer Funktionsvorschrift nach derzeitigem mathematischen Wissen aufwendig ist oder/und über algorithmische Vorschriften erfolgt, die mit der üblichen Notation nicht in funktionaler Form dargestellt werden können. [Diese Thematik hängt mit der schwierigen Frage der Berechenbarkeit zusammen].

Angabe von Anfangsgliedern

Die in manchen Intelligenztests gestellte Aufgabe, eine Folge fortzusetzen, deren erste Glieder gegeben sind, ist aus mathematischer Sicht problematisch: durch noch so viele Anfangsglieder ist der weitere Verlauf einer Folge nicht eindeutig festgelegt. Es gibt nur mehr oder weniger plausible Fortsetzungen. Beispiele:

Die Online-Enzyklopädie der Zahlenfolgen (OEIS) enthält tausende mathematisch relevanter Folgen; darin kann man nach einer gegebenen Teilfolge suchen.

Zur Notation: Wenn eine Folge nichtganze Zahlen enthält und Folgenglieder als Dezimalzahlen angegeben werden sollen, trennt man die Folgenglieder zweckmäßigerweise durch ein Semikolon anstelle des sonst meist verwendeten Kommas, also z.B. 1; 0,5; 0,25; 0,125; ...

Angabe einer Funktionsvorschrift

Für viele, aber keineswegs alle Folgen kann man die Funktionsvorschrift

als eine geschlossene Gleichung angeben.

In den folgenden Beispielen legen wir Indizes aus der Menge N0 zugrunde:

  • Die Folge der natürlichen Zahlen 0, 1, 2, 3, ... Dieses Beispiel ist speziell, weil die Werte von Folgenglied und Index übereinstimmen; die Funktionsvorschrift lautet einfach
  • Die Folge der ungeraden Zahlen 1, 3, 5, 7, .... hat die Funktionsvorschrift
  • Die Folge der Zweierpotenzen 1, 2, 4, 8, ...

Daran anknüpfende Aufgaben (für Schüler)

Die Aufgabe, zu einer gegebenen Funktionsvorschrift die Anfangsglieder zu bestimmen, ist leicht: man nimmt nacheinander die Werte i=0, i=1, i=2 usw., setzt sie jeweils in die Funktionsvorschrift ein, und berechnet auf diese Weise die Folgenglieder a0, a1, a2 usw. Zweck dieser Rechnung ist es, sich ein erstes Bild vom Verlauf einer Folge zu machen. Aber Achtung: eine Folge kann für wirklich große Indizes einen ganz anderen Verlauf nehmen als nach den ersten zehn oder hundert Gliedern zu erwarten. Beispiel: die Folge ai = 1 / (1 + (i-1000)2), die bis i=1000 monoton zunimmt, dann aber wieder abnimmt, wie man durch Einsetzen höherer Zehnerpotenzen überprüfen kann.

Die Umkehraufgabe, zu gegebenen Anfangsgliedern eine Funktionsvorschrift zu bestimmen, ist dagegen deutlich schwieriger. Streng genommen kann es gar keine eindeutige Lösung geben, denn jeder Folgenanfang lässt sich ja in verschiedener Weise fortsetzen (siehe dazu oben). In der Praxis wird diese Aufgabe daher nur für Folgen gestellt, deren Glieder a0, a1, a2 usw. in einigermaßen überschaubarer Weise vom Index i=0, 1, 2, ... abhängen. Im einzelnen prüfe man:

Erschwert wird die Suche nach einer Funktionsvorschrift dadurch, dass die ersten ein oder zwei Folgenglieder (zu den Indizes 0 und 1) oft aus dem Rahmen zu fallen scheinen. Das liegt daran, dass ein Summand 0, ein Faktor 1 oder Exponent 0 oder 1 in aller Regel nicht ausgeschrieben, sondern sofort ausgerechnet werden. In der gekürzten Form 1, 1, 3/4, 1/2, ... ist dem oben genannten Beispiel 1/1, 2/2, 3/4, 4/8, ... die Funktionsvorschrift beim besten Willen nicht mehr anzusehen.

Angabe als Reihe

Eine Folge <sn>, deren n-tes Glied als Summe der ersten n Glieder einer anderen Folge <ai> geschrieben werden kann, heißt eine Reihe:

Erläuterungen zur Notation:
  • Das Äquivalenzzeichen ≡ ist eine Art verstärktes Gleichheitszeichen; es soll andeuten, dass die beiden Ausdrücke und nicht nur in diesem speziellen Kontext, sondern prinzipiell, immer und überall gleich sind: der mit Hilfe des Summenzeichenss geschriebene Ausdruck ist nichts anderes als eine Abkürzung für den Ausdruck .
Innerhalb und außerhalb des Summenzeichens sind unterschiedliche Indizes zu verwenden. Dass wir speziell n und i gewählt haben, entspricht einer weit verbreiteten Konvention, ist aber nicht zwingend.
Um als konkreten Zahlenwert zu berechnen, muss ein konkreter Zahlenwert für den Index n vorgegeben werden. Im Gegensatz dazu ist der Index i kein von außen vorzugebender Input, sondern durch die Summationsvorschrift selbst festgelegt: welches n auch immer gegeben ist, für den "Laufindex" i muss man nacheinander die Werte 0, 1, .., n einsetzen und die Summe der zugehörigen a0, a1, ..., an berechnen.

Man kann jede Folge <sn> als eine Reihe auffassen, indem man aus den Differenzen aufeinander folgender Glieder eine Folge
konstruiert. Folge und Reihe sind also nicht scharf voneinander trennbar. Die Zeitreihen der Wirtschaftswissenschaftler sind eigentlich Folgen; viele Erklärungsmodelle modellieren aber nicht absolute Werte, sondern deren zeitliche Veränderungen, was für die Auffassung der absoluten Werte als Glieder einer Reihe spricht.

Konkreten Nutzen bringt die Deutung einer Folge als Reihe, wenn man die Summation für beliebige n ausführen kann. Summationsformeln sind zum Beispiel bekannt für

  • die arithmetische Reihe,
  • die geometrische Reihe.
Siehe dazu den Artikel Summe.

Die Deutung einer unendlichen Folge als Reihe erleichtert es zu bestimmen, ob und wenn ja gegen welchen Grenzwert die Folge konvergiert: für unendliche Reihen gibt es eigene Konvergenzkriterien. Umgekehrt kann man aus der Konvergenz einer Reihe immer darauf schließen, dass die zugrundeliegende Folge gegen Null konvergiert.

Angabe einer Rekursion

Das Bildungsgesetz einer Folge kann auch rekursiv angegeben werden. Dazu nennt man m Anfangswerte (mit m≥1; meistens ist m=1 oder m=2) sowie eine Vorschrift, wie ein Folgenglied ai aus den vorhergehenden m Gliedern ai-m, ..., ai-1 berechnet werden kann.

Das bekannteste Beispiel für eine Folge, die sich wesentlich einfacher durch eine Rekursionsvorschrift als durch eine Funktionsvorschrift beschreiben lässt, ist die Fibonacci-Folge 0, 1, 1, 2, 3, 5, 8, ... Für sie ist m=2: gegeben sind die zwei Anfangsglieder a0=0 und a1=1 sowie die Rekursionsvorschrift

Die Funktionsvorschrift
steht in engem Zusammenhang mit dem goldenen Schnitt. Beachte, dass die ai alle ganzzahlig sind, da sich die ungeraden Potenzen der √5 herauskürzen.

Für manche Folgen kann man umgekehrt aus der Funktionsvorschrift eine Rekursionsvorschrift ableiten. Zum Beispiel folgt für die geometrische Folge aus der Funktionsvorschrift

die Rekursionsvorschrift

Die Rekursion
definiert die Folge rationaler Zahlen 2, 3/2, 17/12, ..., die gegen √2 konvergiert.

Angabe über einen Algorithmus

Für manche Folgen gibt es eine klar definierte Konstruktionsvorschrift, aber keine Funktionsvorschrift. Das bekannteste Beispiel ist die Folge der Primzahlen 2, 3, 5, 7, 11, ... Es ist seit den alten Griechen (oder Indern ?) bekannt, wie man immer weitere Glieder dieser Folge berechnet. Es gibt jedoch keine Methode, zu einem gegebenen i die i-te Primzahl anzugeben, ohne zuvor die gesamte Folge von der ersten bis zur (i-1)-sten Primzahl zu berechnen (oder nachzuschlagen). Wenn man nicht die zehnte oder die hundertste, sondern die 1020ste Primzahl wissen möchte, macht das den Unterschied zwischen berechenbar und nicht berechenbar aus und hat weitreichende Implikationen für die Sicherheit von Verschlüsselungs- und Authentifizierungsalgorithmen, die auf Primzahlen beruhen.

Charakterisierung von Folgen

Wie Funktionen kann man auch Folgen über ihr Steigungsverhalten und ihren Bildbereich charakterisieren:

In der Analysis gilt das Hauptinteresse der Frage, ob eine Folge einen Grenzwert hat. Siehe dazu den Artikel Grenzwert. Eine unendliche Folge, die gegen keinen Grenzwert konvergiert, kann nichtsdestoweniger Häufungspunkte besitzen (Beispiel: die Folge -1/2, 3/4, -5/6, 7/8, ... besitzt die Häufungspunkte -1 und 1).

Die vorgenannte Charakterisierung einer Folge über ihr Steigungsverhalten und ihren Bildbereich kann helfen, zu bestimmen, ob und wenn ja gegen welchen Grenzwert sie konvergiert. Besonders nützlich ist folgender Satz:

Eine monoton steigende, nach oben beschränkte Folge konvergiert, und ihr Grenzwert stimmt mit ihrem Supremum überein. Beispiel: die Folge 0, 1/2, 2/3, 3/4, ... konvergiert gegen ihr Supremum 1. Eine monoton fallende, nach unten beschränkte Folge konvergiert gegen ihr Infimum.

Daran anknüpfende Aufgaben (insbesondere für Schüler und Studienanfänger)

Wenn Aufgaben zur Monotonie oder/und Beschränktheit von Folgen gestellt werden, sind die Folgen in der Regel über eine Funktionsvorschrift, eventuell auch über eine Rekursion gegeben.

Nachweis der Monotonie

Nachweis der Beschränktheit / Bestimmung einer Schranke

  • Ein Nachweis per Gegenbeispiel ist hier nicht möglich, denn mit noch so vielen Beispielen kann man nicht sicherstellen, dass es nicht irgendeine riesig große bzw. kleine Zahl gibt, durch die die Folge beschränkt ist.
  • Man muss also annehmen, es gäbe eine Schranke; die passende Ungleichung ansetzen, für eine obere Schranke also aiS; auf der linken Seite die Funktionsvorschrift anwenden; nach i auflösen; dann erhält man mit etwas Glück ein Ergebnis in der Form if(S) oder if(S), wobei f(S) für irgendeinen von S abhängigen Term steht. Im ersten Fall hat man herausgefunden, dass die Folge nicht nach oben beschränkt ist: denn egal, wie groß f(S) ist, es ist immer möglich, ein noch größeres i zu nennen, das die Ungleichung verletzt. Im zweiten Fall versucht man ein S zu finden, für das f(S) ≤0. Für ein solches S ist if(S) immer erfüllt; somit ist der Nachweis gelungen, dass S eine obere Schranke ist.
  • Auch diese Aufgabe kann sich vereinfachen, wenn es gelingt, die Funktionsvorschrift in eine Summe aus einfacheren Termen zu zerlegen.

Wichtige Folgen

Arithmetische Folgen und Reihen

Eine arithmetische Folge ist eine Folge mit konstanter Differenz zwischen aufeinanderfolgenden Gliedern. Für die Folge 5, 7, 9, ... lautet die Funktionsvorschrift

im allgemeinen Fall (mit konstanter Differenz d)
Innerhalb der Mathematik oder Informatik benötigt man besonders häufig die Folge der geraden
oder der ungeraden Zahlen,

Die Folge der "Dreieckszahlen" 1, 3, 6, 10, 15, ... kann man als Reihe auffassen, der die arithmetische Folge 1, 2, 3, ... zugrunde liegt. Mit Hilfe einer bekannten Summationsformel findet man

Folgen auf Basis der Potenzfunktion

Die Folge der Quadratzahlen 0, 1, 4, 9, ... hat die Funktionsvorschrift

die der Kubikzahlen 0, 1, 8, 27, ...
was man für s-te
Potenzenen der natürlichen Zahlen zu
verallgemeinern kann, wobei s eine beliebige reelle Zahl sein darf. Mit s=1/2 erhält man die Folge 0, 1, √2, √3, 4, √5, ... der Quadratwurzeln der natürlichen Zahlen,

Bei negativen Exponenten s<0 ist zu beachten, dass 0s nicht exisitiert. Beispielsweise mit s=-1 und der Funktionsvorschrift
ist es nicht möglich, dass Folgenglied zum Index i=0 zu berechnen. Man kann den Index 0 ausschließen, indem man sich die Indexmenge N+ beschränkt. Oft ist es jedoch zweckmäßiger, die Indexmenge N0 unverändert zu lassen und stattdessen die Funktionsvorschrift in
zu ändern. Dann lauten die ersten Folgenglieder 1, 1/2, 1/3, 1/4, ... In gleicher Weise kann man eine Funktionsvorschrift für beliebige Exponenten s aufstellen:
.

Geometrische Folgen

So wie in einer arithmetischen Folge aufeinanderfolgende Glieder eine konstante Differenz haben, so stehen in einer geometrische Folge

aufeinanderfolgende Glieder in einem konstanten Verhältnis zueinander, ai+1 / ai = q. Zum Beispiel ergibt q=2 die der Folge der Zweierpotenzen
von der jeder mit Digitaltechnik Befasste mindestens die ersten zehn Glieder 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128, 256, 512, 1024 auswendig weiß; in dieser Folge ist jedes Glied genau doppelt so groß wie das vorangegangene.

Eine geometrische Folge mit |q|<1 konvergiert gegen Null, wie beispielsweise die Folge 1; 0,1; 0,01; ... zu q=0,1:

Wenn q=1 erhält man die triviale Folge 1, 1, 1, ...; wenn q=-1, erhält man aus
die fundamentale alternierende Folge 1, -1, 1, -1, ...

Exotischere Folgen

Die Goodstein-Folge, definiert mit den Ordinalzahlen als Zielmenge, enthält unendlich große Folgenglieder und konvergiert trotzdem gegen Null.

Noch nicht eingebaut

Zum Beweis der Konvergenz ist die Methode der Vollständigen Induktion ein nützliches Hilfsmittel.

Weblinks


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