Kriterium von Bertrand

Das Kriterium von Bertrand oder das Bertrandsche Kriterium ist ein mathematisches Konvergenzkriterium zur Bestimmung der (absoluten) Konvergenz sowie Divergenz unendlicher Reihen, das nach dem französischen Mathematiker Joseph Bertrand (1822–1900) benannt ist.

Formulierung

Sei <math>(a_n)_{n\in\mathbb{N}}\in\mathbb{R}_+^\mathbb{N}</math> eine positive reelle Folge und <math>\textstyle A := \sum_{n=1}^\infty a_n</math> die zugehörige Reihe. Die Folge <math>(B_n)_{n \in \mathbb{N}}\in\mathbb{R}^{\mathbb{N}}</math> mit:

<math>B_n := \ln(n)\left(n\left(\frac{a_n}{a_{n+1}}-1\right)-1\right)</math>

habe den endlichen oder unendlichen (respektive uneigentlichen) Grenzwert <math>B\in\overline{\mathbb{R}}=\mathbb{R}\cup\{-\infty, +\infty\}</math>:

<math>B := \lim\limits_{n\to\infty} B_n</math>.

Dann gilt für die Reihe: <math>A</math> ist <math>\begin{cases} \text{konvergent, falls} & B > 1\\ \text{divergent, falls} & B < 1 \end{cases}</math>.

Beweis

Sei <math>c_n := n\ln(n)</math> mit <math>n\in\mathbb{N}_{\geqq 2}</math>. Die Reihe <math>\sum_{n=2}^\infty\frac{1}{c_n}</math> divergiert aufgrund des Integralkriteriums. Setzen wir <math>f(x) := \frac{1}{x\ln(x)}</math>, so gilt <math>\frac{1}{c_n} = f(n)</math> und <math>f(x)</math> ist monoton fallend und <math>f(x) \to 0</math> für <math>x \to \infty</math> und <math>x \geqq 2</math>. Des Weiteren ist:

<math>\int_2^R \frac{1}{x\ln(x)}\mathrm{d}x = \int_2^R \frac{\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\ln(x)}{\ln(x)}\mathrm{d}x = \ln(\ln(R))-\ln(\ln(2))\xrightarrow{R \to \infty}\infty</math>.

Setze nun:

<math>\begin{align}

K_n & := c_n\frac{a_n}{a_{n+1}}-c_{n+1} = n\ln(n)\frac{a_n}{a_{n+1}}-(n+1)\ln(n+1) \\ &= n\ln(n)\frac{a_n}{a_{n+1}}-n\ln(n+1)-\ln(n+1)\\ & = n\ln(n)\frac{a_n}{a_{n+1}}-n\left(\ln\left(1+\frac{1}{n}\right)+\ln(n)\right)-\left(\ln\left(1+\frac{1}{n}\right)+\ln(n)\right) \\ &= n\ln(n)\frac{a_n}{a_{n+1}}-(n+1)\ln\left(1+\frac{1}{n}\right)-n\ln(n)-\ln(n)\\ & = \ln(n)\left(n\frac{a_n}{a_{n+1}}-n-1\right)-\ln\left(1+\frac{1}{n}\right)^{n+1}\\ & = \ln(n)\left(n\left(\frac{a_n}{a_{n+1}}-1\right)-1\right)-\ln\left(1+\frac{1}{n}\right)^{n+1}\\ & = B_n-\ln\left(1+\frac{1}{n}\right)^{n+1} \end{align}</math>. Mit der Stetigkeit des Logarithmus und dem bekannten Grenzwert <math>\lim_{n\to\infty} \left(1+\frac{1}{n}\right)^{n+1} = e</math> folgt für <math>n\to\infty</math>:

<math>K = B-\ln(e) = B - 1</math>,

wobei <math>K, B \in\overline{\mathbb{R}}</math> und <math>K := \lim_{n\to\infty} K_n</math> gilt. <math>(c_n)_{n\in\mathbb{N}}</math> erfüllt nun nach Konstruktion die Bedingungen des Kriteriums von Kummer. Aus Letzterem folgt für <math>A</math>: <math>A\colon \begin{cases} \text{konvergent} & K > 0 \Leftrightarrow B > 1\\ \text{divergent} & K < 0 \Leftrightarrow B < 1 \end{cases}</math>.<ref>Markus Oster, Nicolai Lang; Christian Barth: Lösungen zum Arbeitsblatt I. (PDF; 155 kB) Vorlesung Analysis II (SoSe 2009). 25. Oktober 2009, S. 7/28 S., abgerufen am 23. Dezember 2012. </ref>

Einzelnachweise

<references />