Erläuterung und Definition

Jedes Glied ${\displaystyle a_{n}}$ einer Folge ${\displaystyle (a_{n})_{n\in \mathbb {N} }}$ reeller Zahlen hat einen Index ${\displaystyle n}$. Die Zahl ${\displaystyle a\in \mathbb {R} }$ ist der Grenzwert dieser Folge, falls für jedes ${\displaystyle \varepsilon >0}$ alle Glieder mit hinreichend großem Index „um ${\displaystyle a}$ herum“ in dem offenen Intervall ${\displaystyle (a-\varepsilon ,a+\varepsilon )}$ liegen. Also liegen dann auch nur endlich viele Folgenglieder außerhalb des Intervalls, und diese haben alle einen kleineren Index. Das Intervall ${\displaystyle (a-\varepsilon ,a+\varepsilon )}$ ist dabei die im Einleitungstext erwähnte Umgebung des Grenzwerts; genauer wird diese als ${\displaystyle \varepsilon }$-Umgebung von a bezeichnet und dann ${\displaystyle U_{\varepsilon }(a)}$ geschrieben. Die Sprechweisen „${\displaystyle (a_{n})_{n\in \mathbb {N} }}$ hat den Grenzwert a“ und „${\displaystyle (a_{n})_{n\in \mathbb {N} }}$ konvergiert gegen a“ sind gleichbedeutend.

Diese Konkretisierung lässt sich gut mit der anschaulichen Interpretation der Konvergenz als „Annäherung an den Grenzwert“ in Einklang bringen: Egal, wie man das ${\displaystyle \varepsilon }$ wählt, liegen ab einem gewissen Index alle Glieder stets in ${\displaystyle (a-\varepsilon ,a+\varepsilon )}$, sodass also ihr Abstand zu ${\displaystyle a}$ kleiner als ${\displaystyle \varepsilon }$ ist. So ergibt sich die exakte Definition:

Die Zahl ${\displaystyle a\in \mathbb {R} }$ heißt Grenzwert der Folge ${\displaystyle (a_{n})_{n\in \mathbb {N} }}$, falls zu jedem ${\displaystyle \varepsilon >0}$ eine natürliche Zahl ${\displaystyle N}$ existiert, sodass stets ${\displaystyle \left|a_{n}-a\right|<\varepsilon }$ gilt, falls ${\displaystyle n\geq N.}$

Diese Definition fordert also: Zu jedem ${\displaystyle \varepsilon >0}$ gibt es einen Index ${\displaystyle N}$ mit der Eigenschaft, dass alle Folgenglieder mit dem Index oder einem größeren weniger als ${\displaystyle \varepsilon }$ von ${\displaystyle a}$ entfernt sind.

Dies ist so zu verstehen, dass als ${\displaystyle \varepsilon }$ eine beliebig kleine positive Zahl vorgegeben werden darf, und dass es dann stets möglich ist, ein genügend großes ${\displaystyle N}$ so anzugeben, dass ${\displaystyle a_{N}}$ und alle darauf folgenden Glieder die Bedingung erfüllen. Man sagt dann, dass fast alle Folgenglieder, also alle bis auf endlich viele Folgenglieder, die Bedingung erfüllen.

Hinweis 1: Wenn die Konvergenz einer Folge mit dieser Definition nachgewiesen werden soll, muss der Grenzwert im Vorhinein bekannt sein. Es gibt allerdings auch Kriterien, mit denen die Konvergenz einer Folge nachgewiesen werden kann, ohne dass der Grenzwert bekannt ist: siehe Konvergenzkriterien.

Hinweis 2: Die (durch die Häufigkeit ihrer Benutzung) auffällige Bezeichnung „kleiner“ Zahlen durch den Buchstaben ${\displaystyle \varepsilon }$ hat sich allgemein eingebürgert und wird karikierend auch als Epsilontik bezeichnet.

Illustration

• Beispiel einer Folge, die gegen den Grenzwert ${\displaystyle a}$ konvergiert.
• Wenn wir ein ${\displaystyle \varepsilon >0}$ vorgeben, gibt es einen Mindestindex ${\displaystyle N_{0}}$, so dass sich ab diesem Index die Folge im Epsilon-Schlauch ${\displaystyle (a-\varepsilon ,a+\varepsilon )}$ befindet.
• Auch bei einem kleineren ${\displaystyle \varepsilon _{1}>0}$ gibt es einen Mindestindex ${\displaystyle N_{1}}$, nach dem die Folge vollständig im Epsilon-Schlauch verläuft.
• Egal welches ${\displaystyle \varepsilon >0}$ wir vorgeben, nur endlich viele Folgenglieder liegen außerhalb des Epsilon-Schlauchs ${\displaystyle (a-\varepsilon ,a+\varepsilon )}$.

Eindeutigkeit des Grenzwertes

Der Grenzwert einer Folge ${\displaystyle (a_{n})}$ ist, sofern er existiert, eindeutig bestimmt.

Diese Aussage ergibt sich direkt aus der Definition anhand eines Widerspruchsbeweises. Hätte eine Folge ${\displaystyle (a_{n})}$ nämlich zwei verschiedene Grenzwerte ${\displaystyle a\neq b}$, so besäßen diese einen Abstand ${\displaystyle d=|a-b|>0}$. Betrachtet man nun ${\displaystyle \epsilon }$-Umgebungen mit ${\displaystyle \epsilon <{\tfrac {d}{2}}}$ zu den beiden Grenzwerten, also im reellen Fall die Intervalle ${\displaystyle (a-\epsilon ,a+\epsilon )}$ und ${\displaystyle (b-\epsilon ,b+\epsilon )}$, so besitzen diese keinen gemeinsamen Punkt. Nach der Definition des Grenzwerts müssen jedoch ab einem bestimmten Index alle Folgenglieder in der ${\displaystyle \epsilon }$-Umgebung des Grenzwertes liegen und somit müssten die ${\displaystyle \epsilon }$-Umgebungen von ${\displaystyle a}$ und ${\displaystyle b}$ unendlich viele gemeinsame Punkte haben. Dieser Widerspruch lässt sich nur beheben, wenn ${\displaystyle a}$ und ${\displaystyle b}$ keinen positiven Abstand besitzen, also ${\displaystyle a=b}$ gilt.

Notation

Für den Grenzwert ${\displaystyle a}$ einer Folge ${\displaystyle (a_{n})_{n\in \mathbb {N} }}$ gibt es ein eigenes Symbol, man schreibt: ${\displaystyle \lim _{n\to \infty }a_{n}=a}$.

Neben dieser Notation ist auch die Schreibweise ${\displaystyle a_{n}\to a}$ für ${\displaystyle n\to \infty }$, gelesen als ${\displaystyle a_{n}\;}$ konvergiert gegen ${\displaystyle a\;}$ für ${\displaystyle n}$ gegen unendlich, oder kurz ${\displaystyle a_{n}\to a}$ üblich.

Mit dieser Schreibweise lässt sich die Definition des Grenzwertes einer Folge verkürzen: ${\displaystyle \lim _{n\to \infty }a_{n}=a\quad \Longleftrightarrow \quad \forall \varepsilon >0\;\exists N\in \mathbb {N} \;\forall n\geq N:\;\left|a_{n}-a\right|<\varepsilon }$.

Unter Verwendung der Umgebungs-Schreibweise lautet die Definition: ${\displaystyle \lim _{n\to \infty }a_{n}=a\quad \Longleftrightarrow \quad \forall \varepsilon >0\;\exists N\in \mathbb {N} \;\forall n\geq N:\;a_{n}\in U_{\varepsilon }(a)}$.

Beispiele

Die Definition des Grenzwertes soll an einem Beispiel deutlich gemacht werden, anschließend sind weitere Grenzwerte aufgeführt.

• Um zu beweisen, dass die Folge ${\displaystyle {\tfrac {1}{n}}}$ gegen ${\displaystyle 0}$ konvergiert, wählt man zu vorgegebenem ${\displaystyle \varepsilon }$ als ${\displaystyle N}$ irgendeine natürliche Zahl, die größer als ${\displaystyle {\tfrac {1}{\varepsilon }}}$ ist (die Existenz eines solchen ${\displaystyle N}$ ist durch das archimedische Axiom gesichert). Dann gilt für alle ${\displaystyle n\geq N}$:

${\displaystyle |a_{n}-0|={\frac {1}{n}}\leq {\frac {1}{N}}<\varepsilon }$

Die erste Ungleichung folgt dabei aus ${\displaystyle n\geq N}$, die zweite aus ${\displaystyle N>{\tfrac {1}{\varepsilon }}}$. Hiermit ist die geforderte Existenz des Index ${\displaystyle N}$ gezeigt, die Zahl ${\displaystyle 0}$ ist Grenzwert der Folge ${\displaystyle a_{n}={\tfrac {1}{n}}}$.

Folgen, die gegen 0 konvergieren, wie ebendieses Beispiel ${\displaystyle {\tfrac {1}{n}}}$, werden Nullfolgen genannt.

• Die konstante Folge ${\displaystyle (c)}$ mit einer festen reellen Zahl ${\displaystyle c}$ konvergiert gegen ${\displaystyle c}$.
• Die Folge ${\displaystyle (1;1{,}4;1{,}41;1{,}414;1{,}4142;1{,}41421;\dotsc )}$ der abbrechenden Dezimalbruchentwicklungen von ${\displaystyle {\sqrt {2}}}$ konvergiert gegen ${\displaystyle {\sqrt {2}}}$.
• Die Folge ${\displaystyle (e_{n})}$ mit ${\displaystyle e_{n}=\left(1+{\tfrac {1}{n}}\right)^{n}}$ ist konvergent gegen die Eulersche Zahl ${\displaystyle e}$. Die Folge ${\displaystyle \left(1+{\tfrac {r}{n}}\right)^{n}}$ konvergiert gegen ${\displaystyle e^{r}}$. Diese Zahlenfolge tritt beim Problem der stetigen Verzinsung (siehe Zinsrechnung) auf.
• Die Folge ${\displaystyle (c_{n})}$ mit ${\displaystyle c_{n}=(-1)^{n}+{\tfrac {1}{n}}}$ ist nicht konvergent, aber beschränkt. Damit besitzt sie nach dem Satz von Bolzano-Weierstraß konvergente Teilfolgen, z. B. die beiden konvergenten Teilfolgen für gerade und ungerade Indizes: ${\displaystyle c_{2n}\to 1}$ und ${\displaystyle c_{2n-1}\to -1}$.

Rechenregeln

Für Grenzwerte gelten folgende Rechenregeln:

Existiert der Grenzwert ${\displaystyle \lim _{n\to \infty }a_{n}=a}$, so existieren für jedes ${\displaystyle c\in \mathbb {R} \;}$ auch die folgenden Grenzwerte und können wie angegeben berechnet werden:

• ${\displaystyle \lim _{n\to \infty }ca_{n}=ca,}$
• ${\displaystyle \lim _{n\to \infty }\left(c+a_{n}\right)=c+a,}$
• ${\displaystyle \lim _{n\to \infty }\left(c-a_{n}\right)=c-a.}$

Ist zusätzlich ${\displaystyle a\neq 0}$, so ist auch ${\displaystyle a_{n}\neq 0}$ ab einem gewissen Index ${\displaystyle N_{0}\;}$ und für die Teilfolge der ${\displaystyle n>N_{0}\;}$ gilt

• ${\displaystyle \lim _{n\to \infty }{\frac {c}{a_{n}}}={\frac {c}{a}}.}$

Existieren die Grenzwerte ${\displaystyle \lim _{n\to \infty }a_{n}=a}$ und ${\displaystyle \lim _{n\to \infty }b_{n}=b}$, so existieren auch die folgenden Grenzwerte und können wie angegeben berechnet werden:

• ${\displaystyle \lim _{n\to \infty }\left(a_{n}+b_{n}\right)=a+b,}$
• ${\displaystyle \lim _{n\to \infty }\left(a_{n}-b_{n}\right)=a-b,}$
• ${\displaystyle \lim _{n\to \infty }\left(a_{n}\cdot b_{n}\right)=a\cdot b.}$

Ist zusätzlich ${\displaystyle b\neq 0}$, so ist auch ${\displaystyle b_{n}\neq 0}$ ab einem gewissen Index ${\displaystyle N_{0}\;}$ und für die Teilfolge der ${\displaystyle n>N_{0}\;}$, dann gilt

• ${\displaystyle \lim _{n\to \infty }{\frac {a_{n}}{b_{n}}}={\frac {a}{b}}}$.

Mit Hilfe dieser Rechenregeln lassen sich in vielen Fällen aus bekannten Grenzwerten einfach weitere Grenzwerte berechnen. So erhält man beispielsweise für den Grenzwert der Folge ${\displaystyle {\tfrac {2n^{2}-1}{n^{2}+1}}}$

${\displaystyle \lim _{n\to \infty }{\frac {2n^{2}-1}{n^{2}+1}}=\lim _{n\to \infty }{\frac {2-{\frac {1}{n^{2}}}}{1+{\frac {1}{n^{2}}}}}={\frac {\lim _{n\to \infty }\left(2-{\frac {1}{n^{2}}}\right)}{\lim _{n\to \infty }\left(1+{\frac {1}{n^{2}}}\right)}}={\frac {2-\lim _{n\to \infty }{\frac {1}{n^{2}}}}{1+\lim _{n\to \infty }{\frac {1}{n^{2}}}}}={\frac {2-0}{1+0}}=2.}$

Grenzwert einer beschränkten konvergenten Folge

Für die hier betrachteten Folgen ist Monotonie nicht vorausgesetzt.

• Hat eine konvergente Folge ${\displaystyle (a_{n})}$ reeller Zahlen eine obere Schranke ${\displaystyle \sigma }$ (d. h. für alle ${\displaystyle a_{n}}$ gilt: ${\displaystyle a_{n}\leq \sigma }$), so ist ${\displaystyle \lim _{n\to \infty }a_{n}=a\leq \sigma }$.

(Indirekter) Beweis: Annahme: ${\displaystyle a>\sigma }$. Dann lässt sich ein ${\displaystyle 0<\epsilon =a-\sigma }$ vorgeben, und für fast alle ${\displaystyle a_{n}}$ gilt (siehe oben Abschnitt "Erläuterung und Definition"):

${\displaystyle a_{n}>a-\epsilon =a-(a-\sigma )=\sigma }$ (Widerspruch).

• Hat eine konvergente Folge ${\displaystyle (a_{n})}$ reeller Zahlen eine untere Schranke ${\displaystyle \sigma }$ (d. h. für alle ${\displaystyle a_{n}}$ gilt: ${\displaystyle a_{n}\geq \sigma }$), so ist ${\displaystyle \lim _{n\to \infty }a_{n}=a\geq \sigma }$.

(Indirekter) Beweis: Annahme: ${\displaystyle a<\sigma }$. Dann lässt sich ein ${\displaystyle 0<\epsilon =\sigma -a}$ vorgeben, und für fast alle ${\displaystyle a_{n}}$ gilt (siehe oben Abschnitt "Erläuterung und Definition"):

${\displaystyle a_{n}<a+\epsilon =a+(\sigma -a)=\sigma }$ (Widerspruch).

Wichtige Grenzwerte

• ${\displaystyle \lim _{n\to \infty }{\frac {1}{n}}=0}$
• ${\displaystyle \lim _{n\to \infty }{\sqrt[{n}]{n}}=1}$
• ${\displaystyle \lim _{n\to \infty }\left(1+{\frac {z}{n}}\right)^{n}=e^{z}}$ für komplexe (und damit insbesondere für reelle) Zahlen ${\displaystyle z}$.
• ${\displaystyle \lim _{n\to \infty }n(a^{\frac {1}{n}}-1)=\ln a}$ für reelle ${\displaystyle a>0}$
• ${\displaystyle \lim _{n\to \infty }\left(\sum _{i=1}^{n}{\frac {1}{i}}-\ln n\right)=\gamma }$ (Euler-Mascheroni-Konstante)

Grenzwertbildung und Funktionsauswertung

Die Rechenregeln lassen sich als Spezialfall folgender Gesetzmäßigkeiten auffassen:

• Ist ${\displaystyle f\colon \mathbb {R} \to \mathbb {R} }$ stetig im Punkt ${\displaystyle a}$ und konvergiert ${\displaystyle a_{n}}$ gegen ${\displaystyle a}$, so gilt

${\displaystyle \lim _{n\to \infty }f\left(a_{n}\right)=f\left(\lim _{n\to \infty }a_{n}\right)=f(a)}$;

• Ist ${\displaystyle g\colon \mathbb {R} ^{2}\to \mathbb {R} }$ stetig im Punkt ${\displaystyle (a,b)}$ und konvergieren ${\displaystyle a_{n}}$ gegen ${\displaystyle a}$ und ${\displaystyle b_{n}}$ gegen ${\displaystyle b}$, so gilt

${\displaystyle \lim _{n\to \infty }g\left(a_{n},b_{n}\right)=g\left(\lim _{n\to \infty }a_{n},\lim _{n\to \infty }b_{n}\right)=g(a,b)}$.

Für stetige Funktionen sind also Grenzwertbildung und Funktionsauswertung vertauschbar. Die oben angegebenen Rechenregeln folgen damit direkt aus der Stetigkeit der Addition, Subtraktion, Multiplikation und, falls der Nenner ungleich Null ist, Division.

In den reellen Zahlen gilt auch die Umkehrung: Ist die Funktion ${\displaystyle f\colon \mathbb {R} \to \mathbb {R} }$ gegeben und gilt für alle Folgen ${\displaystyle (a_{n})_{n\in \mathbb {N} }}$ mit ${\displaystyle a_{n}\to a}$ auch ${\displaystyle \lim _{n\to \infty }f\left(a_{n}\right)=f(a)}$, so ist ${\displaystyle f}$ stetig im Punkt ${\displaystyle a}$.

Das Entsprechende gilt für jede Funktion ${\displaystyle g\colon \mathbb {R} ^{2}\to \mathbb {R} }$: Gilt für alle Folgen ${\displaystyle (a_{n})_{n\in \mathbb {N} }}$, ${\displaystyle \left(b_{n}\right)_{n\in \mathbb {N} }}$ mit ${\displaystyle a_{n}\to a}$ und ${\displaystyle b_{n}\to b}$ auch ${\displaystyle \lim _{n\to \infty }g\left(a_{n},b_{n}\right)=g(a,b)}$, so ist ${\displaystyle g}$ stetig im Punkt ${\displaystyle (a,b)}$.

Konvergenzkriterien

Bei der oben angegebenen Definition der Konvergenz wird der Grenzwert ${\displaystyle a\;}$ in der Definition verwendet. Der Grenzwert muss also bekannt sein oder zumindest vermutet werden, damit mit dieser Definition die Konvergenz der Folge nachgewiesen werden kann. Es gibt allerdings auch Konvergenzkriterien, mit denen die Konvergenz einer Folge nachgewiesen werden kann, ohne dass der Grenzwert bekannt ist.

Das Monotoniekriterium besagt, dass eine monoton wachsende Folge genau dann konvergiert, wenn sie nach oben beschränkt ist. Der Grenzwert der Folge ist dann kleiner gleich der oberen Schranke. Formal gilt also:

${\displaystyle a_{n}\leq a_{n+1}{\text{ und }}a_{n}\leq A{\text{ für alle }}n\quad \Rightarrow \quad a_{n}{\text{ konvergiert und }}\lim _{n\to \infty }a_{n}\leq A}$.

Ebenso konvergiert eine monoton fallende und nach unten beschränkte Folge.

Das Cauchy-Kriterium beruht auf dem Begriff der Cauchy-Folge: Eine Folge ${\displaystyle (a_{n})_{n\in \mathbb {N} }}$ heißt Cauchy-Folge, wenn gilt:

${\displaystyle \forall \varepsilon >0\ \exists N\in \mathbb {N}$ :\ \forall n,m\in \mathbb {N} ,n\geq N,m\geq N:|a_{m}-a_{n}|<\varepsilon } .

Das Cauchy-Kriterium besagt nun, dass eine Folge in den reellen Zahlen genau dann konvergiert, wenn sie eine Cauchy-Folge ist. Dieses Kriterium spielt insbesondere bei der Konstruktion der reellen Zahlen aus den rationalen Zahlen und bei der Erweiterung des Grenzwertbegriffs auf metrische Räume eine wichtige Rolle.

Bestimmung von Grenzwerten

Ist die Konvergenz einer Folge nachgewiesen, lässt sich der Grenzwert in vielen Fällen näherungsweise bestimmen, indem in die Folge ein großes n eingesetzt wird und der Rest abgeschätzt wird. Beispielsweise ergibt sich für den Grenzwert ${\displaystyle \lim _{n\to \infty }\left(1+{\frac {1}{n}}\right)^{n}=e}$ wegen der Abschätzung ${\displaystyle \left(1+{\frac {1}{n}}\right)^{n}<e<\left(1+{\frac {1}{n}}\right)^{n+1}}$ für ${\displaystyle n=1000}$ die Abschätzung ${\displaystyle 2{,}7169\dotso <e<2{,}7196\dotso }$

Es gibt jedoch kein allgemeines Verfahren zur exakten Bestimmung von Grenzwerten. In vielen Fällen lässt sich die Regel von de L’Hospital anwenden. Manchmal ist es nützlich den Grenzwert in ein bestimmtes Integral umzuwandeln. Oft führen jedoch nur raffinierte Zerlegungen und Umformungen weiter.

Bestimmte Divergenz

In den reellen Zahlen unterscheidet man zwischen bestimmter Divergenz und unbestimmter Divergenz:

Bestimmte Divergenz gegen ${\displaystyle +\infty }$ (bzw. ${\displaystyle -\infty }$) liegt vor, wenn eine Folge x_n jede reelle Zahl irgendwann überschreitet und dann darüber bleibt (bzw. jede reelle Zahl unterschreitet und dann darunter bleibt). Das heißt,

${\displaystyle \forall M\in \mathbb {R} \ \exists N\in \mathbb {N} \quad \forall n>N:x_{n}>M}$

bzw.

${\displaystyle \forall M\in \mathbb {R} \ \exists N\in \mathbb {N} \quad \forall n>N:x_{n}<M}$.

Man schreibt dann

${\displaystyle \lim _{n\to \infty }x_{n}=\infty }$

bzw.

${\displaystyle \lim _{n\to \infty }x_{n}=-\infty }$

und sagt, die Folge divergiert bestimmt gegen ${\displaystyle \infty }$ bzw. gegen ${\displaystyle -\infty }$. Die Werte ${\displaystyle \infty }$ und ${\displaystyle -\infty }$ werden in diesem Zusammenhang oft auch uneigentliche Grenzwerte genannt beziehungsweise die bestimmte Divergenz als uneigentliche Konvergenz bezeichnet. Dass diese Werte ebenfalls als Grenzwert in einem etwas weiteren Sinne angesehen werden, ist insofern gerechtfertigt, als die uneigentlichen Grenzwerte in den erweiterten reellen Zahlen ${\displaystyle {\bar {\mathbb {R} }}:=\mathbb {R} \cup \{-\infty ,+\infty \}}$, versehen mit einer passenden Topologie, echte Grenzwerte im Sinne des weiter unten beschriebenen allgemeinen topologischen Grenzwertbegriffs sind.

Unbestimmte Divergenz liegt vor, wenn die Folge weder konvergiert noch bestimmt divergiert.

Beispiele

• Die Folge ${\displaystyle (n)}$ der natürlichen Zahlen divergiert bestimmt gegen ${\displaystyle \infty }$.
• Die Folge ${\displaystyle (+1;-1;+1;-1;\dotsc )}$ divergiert unbestimmt.
• Die Folge ${\displaystyle (1;-2;3;-4;5;-6;\dotsc )}$ divergiert unbestimmt.

Grenzwert und Häufungspunkt

Ein mit dem Grenzwert einer Folge eng verwandter Begriff ist der Häufungspunkt oder auch Häufungswert einer Folge. Die formalen Definitionen unterscheiden sich lediglich in der Position der Existenz- bzw. Allquantoren:

Während der Grenzwert als

${\displaystyle \left(\lim _{n\to \infty }a_{n}=a\right)\quad$ :\Longleftrightarrow \quad \forall \varepsilon >0\;\exists N\in \mathbb {N} \;\forall n>N:\;\left|a_{n}-a\right|<\varepsilon }

definiert ist, gilt für den Häufungspunkt „nur“

${\displaystyle a\;}$ ist Häufungspunkt von ${\displaystyle a_{n}:\Longleftrightarrow \quad \forall \varepsilon >0\;\forall N\in \mathbb {N} \;\exists n>N:\;\left|a_{n}-a\right|<\varepsilon }$.

Die Definition des Grenzwertes verlangt also, dass in jeder Umgebung des Grenzwertes ab einem gewissen Index alle Folgenglieder liegen; die Definition des Häufungspunktes verlangt lediglich, dass in jeder Umgebung unendlich viele Folgenglieder liegen.

Analog zu den uneigentlichen Grenzwerten werden gelegentlich die uneigentlichen Häufungspunkte definiert:

${\displaystyle +\infty \;}$ ist uneigentlicher Häufungspunkt von ${\displaystyle a_{n}\Longleftrightarrow \forall M\in \mathbb {R} \ \forall N\in \mathbb {N} \quad \exists n>N:\quad x_{n}>M}$,

${\displaystyle -\infty \;}$ ist uneigentlicher Häufungspunkt von ${\displaystyle a_{n}\Longleftrightarrow \forall M\in \mathbb {R} \ \forall N\in \mathbb {N} \quad \exists n>N:\quad x_{n}<M}$.

Auch die Definition des uneigentlichen Häufungspunktes unterscheidet sich von der Definition des uneigentlichen Grenzwertes nur durch die Position der Existenz- bzw. Allquantoren.

Wenn eine Folge einen eigentlichen (bzw. uneigentlichen) Grenzwert hat, so ist dieser Grenzwert auch eigentlicher (bzw. uneigentlicher) Häufungspunkt. Während eine Folge aber höchstens einen Grenzwert hat, kann sie mehrere Häufungspunkte haben. Für jeden eigentlichen (bzw. uneigentlichen) Häufungspunkt gibt es eine Teilfolge, die gegen diesen Häufungspunkt konvergiert (bzw. bestimmt divergiert). Enthält umgekehrt eine Folge eine konvergente (bzw. bestimmt divergente) Teilfolge, so ist der (eigentliche bzw. uneigentliche) Grenzwert dieser Folge ein (eigentlicher bzw. uneigentlicher) Häufungspunkt der Folge.

Nach dem Satz von Bolzano-Weierstraß enthält jede beschränkte reelle Folge eine konvergente Teilfolge. Ist die Folge nach oben unbeschränkt, enthält sie eine gegen ${\displaystyle +\infty }$ bestimmt divergente Teilfolge, ist sie nach unten unbeschränkt, so enthält sie eine gegen ${\displaystyle -\infty }$ bestimmt divergente Teilfolge. Jede reelle Folge hat somit mindestens einen eigentlichen oder uneigentlichen Häufungspunkt. Der größte dieser Häufungspunkte wird als Limes superior bezeichnet, der kleinste als Limes inferior. Eine formale Definition dazu findet sich im Artikel Limes superior und Limes inferior. Stimmen der Limes superior und der Limes inferior überein, so ist dieser Wert auch eigentlicher oder uneigentlicher Grenzwert und die Folge ist konvergent bzw. bestimmt divergent. Sind Limes superior und der Limes inferior unterschiedlich, so ist die Folge unbestimmt divergent.

Definition der Konvergenz

Sei ${\displaystyle (X,d)}$ ein metrischer Raum. Eine Folge ${\displaystyle (a_{n})}$ in ${\displaystyle X}$ heißt konvergent gegen den Grenzwert ${\displaystyle a\in X}$, wenn gilt:

${\displaystyle \forall {\varepsilon >0}\ \exists \ N\in \mathbb {N} \;\forall \ n>N:\;d(a,a_{n})<\varepsilon \,}$

in Worten: Es gibt für jedes beliebige (noch so kleine) ${\displaystyle \varepsilon }$ einen Index ${\displaystyle N}$ (i. A. abhängig von ${\displaystyle \varepsilon }$), derart, dass für alle Indizes ${\displaystyle n>N}$, alle weiteren Folgenglieder, gilt: der Abstand ${\displaystyle d(a,a_{n})}$ ist kleiner als ${\displaystyle \varepsilon }$.

Dies entspricht der oben angegebenen Definition der Konvergenz einer Folge reeller Zahlen, es wird lediglich ${\displaystyle |a_{n}-a|<\varepsilon }$ durch ${\displaystyle d(a_{n},a)<\varepsilon }$ ersetzt.

Auch hier ist neben der Schreibweise ${\displaystyle \lim _{n\to \infty }a_{n}=a}$ die Schreibweise ${\displaystyle a_{n}\to a}$, ebenfalls gelesen als ${\displaystyle a_{n}}$ konvergiert gegen ${\displaystyle a\;}$, üblich. Falls die hierbei gemeinte Metrik nicht eindeutig erkennbar ist, so wird dies gelegentlich auch durch ${\displaystyle a_{n}\,{\stackrel {\mathrm {d} }{\to }}\,a}$ kenntlich gemacht.

Cauchy-Folgen und Vollständigkeit

Analog zu den reellen Zahlen spielt der Begriff der Cauchy-Folge in metrischen Räumen eine wichtige Rolle. Eine Folge heißt Cauchy-Folge, wenn

${\displaystyle \forall \varepsilon >0\ \exists N\in \mathbb {N} \ \forall n,m\in \mathbb {N} ,n>N,m>N:\quad d(a_{m},a_{n})<\varepsilon }$.

Hat jede Cauchy-Folge einen Grenzwert, so wird der metrische Raum als vollständig bezeichnet. Insbesondere sind die reellen und die komplexen Zahlen vollständig, die rationalen Zahlen aber nicht. Ist der metrische Raum nicht vollständig, dann lässt er sich analog zur Konstruktion der reellen Zahlen aus den rationalen Zahlen in den vollständigen metrischen Raum einbetten, der durch die Äquivalenzklassen von Cauchy-Folgen bezüglich der Äquivalenzrelation

${\displaystyle (a_{n})\sim (b_{n}):\quad \Leftrightarrow \quad d(a_{n},b_{n})\to 0}$

gebildet wird.

Absolute Konvergenz

Der Begriff der absoluten Konvergenz lässt sich zwar nicht unmittelbar auf metrische Räume übertragen, für vollständige metrische Räume gibt es aber ein eng verwandtes Resultat: Eine Folge ${\displaystyle \left(a_{n}\right)_{n\in \mathbb {N} }}$ ist zumindest dann konvergent, wenn die Summe

${\displaystyle \sum _{n\in \mathbb {N} }d\left(a_{n},a_{n+1}\right)}$

konvergiert. Aus der Konvergenz dieser Summe folgt nämlich, dass für jedes ${\displaystyle \varepsilon >0\;}$ ein ${\displaystyle N\;}$ existiert, sodass für ${\displaystyle m>n>N\;}$ die Beziehung

${\displaystyle \sum _{\nu =n}^{m-1}d\left(a_{v},a_{v+1}\right)<\varepsilon }$

gilt. Durch mehrfache Anwendung der Dreiecksungleichung folgt

${\displaystyle d\left(a_{n},a_{m}\right)\leq \sum _{\nu =n}^{m-1}d\left(a_{v},a_{v+1}\right)<\varepsilon }$,

${\displaystyle \left(a_{n}\right)_{n\in \mathbb {N} }}$ ist somit eine Cauchyfolge und damit in einem vollständigen Raum konvergent.

Definition

Der Grenzwertbegriff wird in der Topologie verallgemeinert. Ist ein topologischer Raum ${\displaystyle (X,{\mathfrak {T}})}$, also eine Menge ${\displaystyle X}$ mit der Menge der in diesem topologischen Raum offenen Teilmengen ${\displaystyle {\mathfrak {T}}}$ gegeben, so wird der Grenzwert einer Folge von Elementen ${\displaystyle a_{n}\in X}$ gegen einen Grenzwert ${\displaystyle a\in X}$ folgendermaßen definiert:

${\displaystyle \lim _{n\to \infty }a_{n}=a\quad \Longleftrightarrow \quad \forall U\in {\mathfrak {U}}(a)\;\exists N\in \mathbb {N} \;\forall n>N\colon \;a_{n}\in U.}$

${\displaystyle U\in {\mathfrak {U}}(a)}$ sind dabei die sogenannten Umgebungen von ${\displaystyle a}$, das sind die Mengen, für die eine Menge ${\displaystyle O\in {\mathfrak {T}}}$ mit ${\displaystyle a\in O\subseteq U}$ existiert.

Anstelle alle Umgebungen von ${\displaystyle a}$ zu betrachten, ist es für den Nachweis der Konvergenz oft zweckmäßiger, sich auf eine Umgebungsbasis ${\displaystyle {\mathfrak {B}}(a)}$ zu beschränken, also auf eine Teilmenge ${\displaystyle {\mathfrak {B}}(a)\subseteq {\mathfrak {U}}(a)}$ mit der Eigenschaft, dass für jede Umgebung ${\displaystyle U\in {\mathfrak {U}}(a)}$ eine Menge ${\displaystyle B\in {\mathfrak {B}}(a)}$ mit ${\displaystyle B\subseteq U}$ existiert. Es gilt dann die leichter nachweisbare äquivalente Formulierung

${\displaystyle \lim _{n\to \infty }a_{n}=a\quad \Longleftrightarrow \quad \forall B\in {\mathfrak {B}}(a)\;\exists N\in \mathbb {N} \;\forall n>N\colon \;a_{n}\in B.}$

Dieser Grenzwertbegriff beinhaltet den Grenzwert einer Zahlenfolge und den Grenzwert einer Folge von Elementen eines metrischen Raumes als Spezialfälle. Insbesondere bildet in metrischen Räumen die Menge ${\displaystyle {\mathfrak {B}}(a)=\{B_{\varepsilon }(a)\mid \varepsilon >0\}}$ aller offenen Kugeln ${\displaystyle B_{\varepsilon }(a):=\{x\in X\mid d(x,a)<\varepsilon \}}$ eine Umgebungsbasis von ${\displaystyle a}$. Verwendet man diese Umgebungsbasis, erhält man genau die oben angegebene Definition des Grenzwerts in metrischen Räumen.

Erfüllt eine Topologie das erste Abzählbarkeitsaxiom, so reichen Grenzwerte von Folgen aus, um damit die Topologie zu beschreiben, insbesondere gilt, dass ein Punkt ${\displaystyle a}$ genau dann in der abgeschlossenen Hülle ${\displaystyle {\bar {A}}}$ von ${\displaystyle A}$ liegt, wenn es eine Folge von Elementen ${\displaystyle a_{n}\in A}$ gibt, die gegen ${\displaystyle a}$ konvergiert. Insbesondere erfüllen metrische Räume das erste Abzählbarkeitsaxiom, da beispielsweise ${\displaystyle {\mathfrak {B}}(a)=\{B_{1/k}(a)\mid k\in \mathbb {N} \}}$ eine Umgebungsbasis von ${\displaystyle a}$ ist.

In allgemeinen topologischen Räumen gilt diese Charakterisierung abgeschlossener Mengen als Grenzwerte von Folgen nicht, dort müssen statt Grenzwerten von Folgen Grenzwerte verallgemeinerter Folgen, sogenannter Netze betrachtet werden.

In allgemeinen topologischen Räumen kann es auch sein, dass eine Folge mehrere Grenzwerte hat. So konvergiert beispielsweise in der trivialen Topologie von ${\displaystyle X}$, in der lediglich die leere Menge sowie ${\displaystyle X}$ selbst offene Mengen sind, jede Folge gegen jedes ${\displaystyle a\in X}$. Verlangt man aber zusätzlich, dass der topologische Raum das hausdorffsche Trennungsaxiom erfüllt, so hat in einem solchen topologischen Raum jede Folge höchstens einen Grenzwert. Insbesondere ist in metrischen Räumen das hausdorffsche Trennungsaxiom erfüllt.

Beispiele