Limesregeln für Reihen

 Die Limesregeln für die Konvergenz von Folgen führen zu Regeln für die Konvergenz von Reihen:

Satz (Addition, Subtraktion und Skalierung von unendlichen Reihen)

Seien n xn und n yn konvergente Reihen in . Dann gilt:

(a)

n (xn + yn)  =  n xn  +  n yn,

(b)

n axn  =  a n xn  für alle a  ∈  ,

(c)

n (xn − yn)  =  n xn  −  n yn.

Beweis

Für alle n gilt

k ≤ n (xk + yk)  =  k ≤ n xk  +  k ≤ n yk.

Damit erhalten wir

n (xn + yn) =  limn k ≤ n (xk + yk)  =  limn (k ≤ n xk + k ≤ n yk)
=  limn k ≤ n xk  +  limn k ≤ n yk  =  n xn  +  n yn.

Die Aussage (b) wird ähnlich bewiesen, und die Aussage (c) folgt aus (a) und (b) mit a = −1.

 Der Leser wird vielleicht eine Produktregel vermissen. Hier ist aber Vorsicht geboten. Das Produkt

n xn  ·  n yn  =  (x0  +  x1  +  x2  +  …) · (y0  +  y1  +  y2  +  …)

zweier Reihen hat bei einem naiven distributiven Ausmultiplizieren die Gestalt n, m  ∈   xnym. In dieser Darstellung ist aber nicht angegeben, in welcher Reihenfolge die abzählbar vielen Paare (n, m) der Menge  ×  aufsummiert werden, und es ist keineswegs klar, dass bei einer unendlichen Summation die Reihenfolge der Summanden keine Rolle spielt. Für das Produkt könnte man konkret

n xn  ·  n yn  =  limk (n, m ≤ k xn ym)

setzen, was der Bildung von Rechtecken { 0, …, k }2 entspricht, oder aber

n xn  ·  n yn  =  limk (n ≤ k xn yk − n),

was der Diagonalaufzählung von 2 entspricht. Wir werden Summationsfragen und Produkte von Reihen später genauer untersuchen. Für das Folgende genügen uns die Addition, Subtraktion und Skalierung von Reihen.