Teorema di Bolzano Weierstrass
In una successione limitata an esiste almeno una successione estratta convergente.
Dimostrazione
Se una successione è limitata, allora esistono due numeri reali a e b tali che
$$ a \le a_n \le b $$
I numeri a e b sono il minimo e il massimo della successione (o viceversa).

Questi due punti delimitano un insieme che contiene gli infiniti termini an della successione in un intervallo chiuso [a,b] sulle ordinate (asse y).
Sulle ascisse (asse x) è invece indicato l'indice n della successione.
Nota. Una successione an è composta da infiniti termini perché l'indice n è composto da numeri naturali e l'insieme dei numeri naturali N è infinito.
Suddivido l'intervallo [a,b] in due parti uguali identificando un punto di mezzo c=(a+b)/2.
Ora gli intervalli sono due: [a,c],[c,b]

Soltanto uno dei due sottointervalli contiene infiniti termini della successione. L'altro ne contiene un numero finito.
Per ipotesi, l'intervallo [c,b] contiene infiniti termini della successione.

Riassegno a questo intervallo le lettere a1 e b1
$$ [c,b] = [a_1, b_1] $$
Qualuque sia l'intervallo scelto tra [a,c] e [c,b] valgono comunque le seguenti diseguaglianze:
$$ a \le a_1 $$ $$ b_1 \le b $$
e la lunghezza del sottointervallo è sicuramente pari alla metà del precedente
$$ b_1 - a_1 = \frac{b-a}{2} $$
Indico con n1 il primo indice della successione an nell'intervallo [a1,b1].

Ora suddivido l'intervallo [a1,b1] in due parti [a1,c1] e [c1,b1].

Uno dei due intervalli contiene infiniti termini (indici) della successione.
Per ipotesi, l'intervallo [c1,b1] contiene infiniti termini della successione.

Riassegno a questo intervallo le lettere a2 e b2
$$ [c_1,b_1] = [a_2, b_2] $$
Anche in questo caso valgono le diseguaglianze
$$ a_1 \le a_2 $$ $$ b_2 \le b_1 $$
e la lunghezza del sottointervallo è sicuramente pari alla metà del precedente che a sua volta è la metà del precedente
$$ b_2 - a_2 = \frac{b_1-a_1}{2} = \frac{b-a}{4} $$
Indico con n2 il primo indice della successione an nell'intervallo [a2,b2].
L'indice n2 è un numero intero maggiore di n1.

E via dicendo itero la suddivisione per k volte.
Alla fine ottengo un'unica diseguaglianza del tipo
$$ a \le a_k \le b_k \le b $$
La lunghezza dell'ultimo intervallo [ak,bk] è pari a all'intervallo iniziale [a,b] diviso k volte.
$$ b_k - a_k = \frac{b-a}{2^k} $$
Indico con nk il primo indice della successione an nell'intervallo [ak,bk].
L'indice nk è un numero intero maggiore rispetto al precedente nk-1.
Alla fine ottengo una successione di primi numeri n
$$ n_1, n_2, .... , n_{k-1}, n_k $$
Essendo degli indici della successione an, i numeri n sono numeri naturali (interi).
Ogni indice nk è un numero intero maggiore rispetto al precedente indice nk-1.
$$ n_1< n_2< .... < n_{k-1}< n_k $$
a questi indici è associata una successione estratta da an
$$ a_{n_1}, a_{n_2}, .... , a_{n_k} $$
Ogni termine della successione ank è compreso in un intervallo [ak,bk].
$$ a_{n_k} \in [a_k, b_k ] $$
Quindi vale la diseguaglianza
$$ a_k \le a_{n_k} \le b_k $$
Da questo ragionamento emergono tre successioni estratte
- la successione dei termini ak ( estremo inferiore di ogni sottointervallo [ak,bk] )
- il primo elemento ank di ogni sottointervallo [ak,bk]
- la successione dei termini bk ( estremo superiore di ogni sottointervallo [ak,bk] )
Le due successioni estratte ak, bk sono monotone limitate composte da k termini perché
$$ a \le a_k \le b_k \le b $$
ossia
$$ a \le a_1 \le a_2 \le ... \le a_k \le b_1 \le b_2 \le ... \le b_k \le b $$

Calcolo il limite delle tre successioni per k→∞
$$ \lim_{k \rightarrow ∞} a_k \le \lim_{k \rightarrow ∞} a_{n_k} \le \lim_{k \rightarrow ∞} b_k $$
Le successioni ak e bk sono monotone e limitate.
Pertanto, secondo il teorema delle successioni monotone e limitate hanno entrambe un limite finito.
$$ l_1 \le \lim_{k \rightarrow ∞} a_{n_k} \le l_2 $$
In questo caso particolare i due limiti finiti l1 e l2 sono anche uguali ( l1=l2) tra loro.
$$ l \le \lim_{k \rightarrow ∞} a_{n_k} \le l $$
Spiegazione. Sapendo che $$ b_k - a_k = \frac{b-a}{2^k} $$ allora la successione bk è uguale a $$ b_k = a_k + \frac{b-a}{2^k} $$ Il limite per k→∞ della successone bk è uguale al limite di ak. $$ l_2 = \lim_{k \rightarrow ∞} b_k = \lim_{k \rightarrow ∞} a_k + \frac{b-a}{2^k} = \lim_{k \rightarrow ∞} a_k + \lim_{k \rightarrow ∞} \frac{b-a}{2^k} = \lim_{k \rightarrow ∞} a_k + 0 = l_1 $$ perché la componente (b-a)/2k tende a zero per k→∞.
Secondo il teorema del confronto (o teorema dei carabinieri) anche la successione ank intermedia ha un limite finito ed è uguale a l.
$$ \lim_{k \rightarrow ∞} a_{n_k} = l $$
Pertanto, la successione estratta ank è convergente.
Questo dimostra il teorema di Bolzano-Weierstrass.
E così via.
Vuoi fare una prova?
Calcola il carattere di una successione
Ogni punto rappresenta un termine aₙ. Rotellina per lo zoom, trascinamento per spostarsi. Il grafico numerico non dimostra la convergenza.
Per sapere come si ottiene questo risultato usa il mio laboratorio matematico.
