6. Die Eulersche Zahl
Voraussetzung: 05 Monotonie und Beschränktheit (Konvergenzsatz für monotone, beschränkte Folgen)
6.1 Ausgangspunkt: Zwei Folgen
Betrachte die Folgen und mit
Ziel: Zeige mithilfe von Monotonie und Beschränktheit (siehe 05 Monotonie und Beschränktheit), dass beide Folgen konvergieren — und definiere darüber die Eulersche Zahl .
6.2 Hilfsmittel: Mittelungleichung
Ungleichung vom arithmetischen und geometrischen Mittel
Für aus gilt:
Spezialfall (ein festes , die übrigen Werte alle gleich 1, plus ein weiterer Wert 1 dazu — insgesamt Faktoren und ein Faktor 1, macht Werte): Für festes und :
Dies folgt aus der allgemeinen Mittelungleichung mit und .
6.3 Behauptung: ist monoton wachsend
Beweis: Setze in die Spezialform der Mittelungleichung ein:
Beide Seiten mit potenzieren (erlaubt, da beide Seiten positiv sind):
6.4 Behauptung: ist monoton fallend
Der Beweis läuft ähnlich, ist aber etwas aufwändiger (daher hier nur als Ergebnis festgehalten — Herleitung analog zu 6.3 mit vertauschten Rollen).
6.5 Zusammenhang zwischen und
Also gilt für jedes : (da der Faktor ist).
6.6 Konvergenz beider Folgen
Aus den bisherigen Ergebnissen:
- ist monoton wachsend
- ist monoton fallend
- für alle
Daraus folgt:
- ist eine obere Schranke für (da , letzteres wegen Monotonie von fallend)
- ist eine untere Schranke für (analog)
Nach dem Konvergenzsatz für monotone, beschränkte Folgen (siehe 05 Monotonie und Beschränktheit, Abschnitt 5.3) sind damit beide Folgen konvergent.
Definition: Eulersche Zahl
Folgerung: Da und (triviale Nullfolge-Grenzwertrechnung, siehe G6 in 04 Grenzwert und Konvergenz von Folgen):
Beide Folgen konvergieren also gegen denselben Grenzwert .
6.7 Fehlerabschätzung für
Man kann sogar angeben, wie schnell gegen konvergiert:
Da für alle relevanten (grobe Schranken, aus der Beschränktheit):
Da (aus der Monotonie beider Folgen gegen denselben Grenzwert), folgt daraus eine konkrete Fehlerschranke:
Zahlenbeispiel: , und
Tatsächlich: — passt zur beobachteten Abweichung.
6.8 Verallgemeinerung auf beliebige Folgen gegen
Satz
Ist eine Folge mit , so gilt:
Das heißt: Nicht nur für (die natürlichen Zahlen selbst), sondern für jede Folge, die gegen strebt, liefert dieser Ausdruck denselben Grenzwert .
Allgemeiner (29.10.)
Für eine Konstante und gilt:
Beispiel (29.10.): Trick: Zähler und Nenner so umformen, dass zwei Ausdrücke der Form entstehen.
Rezept
ausklammern, kürzen, dann Zähler und Nenner einzeln mit behandeln und die Grenzwertregel für Quotienten (G6) anwenden. Achtung bei : Das ist , nicht .
Beispiele: siehe 
6.9 Eine schneller konvergierende -Folge
Die Folge konvergiert recht langsam gegen (Fehler nur in der Größenordnung ). Es gibt deutlich schnellere Alternativen:
Folge über die Fakultätsreihe
Man kann zeigen (hier nicht ausgeführt):
Mit dem Sandwich-Prinzip (siehe 04 Grenzwert und Konvergenz von Folgen, G3) und da sowohl als auch :
Praktische Relevanz
konvergiert in der Praxis viel schneller gegen als — das ist auch der Grund, warum numerische Berechnungen von (und später: der Exponentialfunktion als Potenzreihe) über die Fakultätsreihe und nicht über den Grenzwert-Ausdruck mit der Potenz erfolgen.