1.2 数列的极限、性质和存在准则

高等数学A1



周维祺

庄子:一尺之锤,日取其半,万世不竭

数列的极限

设有实数列{xn}nN\{x_n\}_{n\in\mathbb N},若xRx^*\in\mathbb R满足:对任意给定的ϵ>0\epsilon>0,都存在NϵNN_{\epsilon}\in\mathbb N,使得只要kNϵk\ge N_{\epsilon},就有xkxϵ|x_k-x^*|\le\epsilon,则称{xn}nN\{x_n\}_{n\in\mathbb N}收敛,且其极限是xx^*。记作limnxn=x\lim_{n\to\infty}x_n=x^*,或xnxx_n\to x^*

(也称{xn}nN\{x_n\}_{n\in\mathbb N}收敛于或收敛到xx^*)

例子

  • xn=n1x_n=n^{-1}, 用定义验证 limnxn=0\lim_{n\to\infty}x_n=0

  • 对任意给定的ϵ>0\epsilon>0,令NϵNN_{\epsilon}\in\mathbb N满足Nϵϵ1N_{\epsilon}\ge\epsilon^{-1}

  • kNϵk\ge N_{\epsilon}xk0=k1Nϵ1ϵ|x_k-0|=k^{-1}\le N_{\epsilon}^{-1}\le\epsilon

练习

用定义验证:

limn2n=0,以及limnk=0n2k=2\lim_{n\to\infty}2^{-n}=0, \quad \text{以及}\quad \lim_{n\to\infty}\sum_{k=0}^n2^{-k}=2

例子:0.9999....=1.00000....

十进制表达不唯一

从数列中增加、舍去、或调整有限项的值不改变其收敛性和极限

极限的性质:唯一性

{xn}nN\{x_n\}_{n\in\mathbb N}收敛,则其极限唯一

唯一性的证明

  • a,ba,b都是{xn}nN\{x_n\}_{n\in\mathbb N}的极限

  • 给定任意ϵ>0\epsilon>0, 对充分大的nn,都有xnaϵ|x_n-a|\le\epsilonxnbϵ|x_n-b|\le\epsilon

  • ab=axn+xnbaxn+xnb2ϵ|a-b|=|a-x_n+x_n-b|\le|a-x_n|+|x_n-b|\le 2\epsilon

  • ϵ\epsilon的任意性得ab=0|a-b|=0

极限的性质:有界性

{xn}nN\{x_n\}_{n\in\mathbb N}收敛,则存在M>0M>0,使xnM|x_n|\le M对任意nNn\in\mathbb N都成立

有界性的证明

  • {xn}nN\{x_n\}_{n\in\mathbb N}的极限是xx^*

  • ϵ=1\epsilon=1,则存在NNN\in\mathbb N,使xkx1|x_k-x^*|\le 1kNk\ge N都成立

  • 从而xkx+1|x_k|\le|x^*|+1

  • M=max{x1,x2,,xN1,x+1}M=\max\{|x_1|,|x_2|,\ldots,|x_{N-1}|, |x^*|+1\}即可

极限的性质:保号性

xnx0x_n\to x^*\neq0,则存在N>0N>0,使kNk\ge N时,xkx_kxx^*同号

(证明:取ϵ=x/2\epsilon=x^*/2即可)

极限的性质:子列的收敛性

{xn}nN\{x_n\}_{n\in\mathbb N}收敛,则其所有子列都收敛,极限与{xn}nN\{x_n\}_{n\in\mathbb N}的极限相同

(证明:由极限定义可得)

极限存在的准则:子列收敛

{xn}nN\{x_n\}_{n\in\mathbb N}的奇数项和偶数项都收敛于xx^*,则{xn}nN\{x_n\}_{n\in\mathbb N}也收敛于xx^*

(由定义可证,证明留作课后思考题)

练习

  • xn=(1)nx_n=(-1)^n是否收敛,说明理由

  • {an}nN\{a_n\}_{n\in\mathbb N}有界,bn0b_n\to 0,证明anbn0a_nb_n\to0

  • {an}nN\{a_n\}_{n\in\mathbb N}是任意数列,bn0b_n\to 0,则{anbn}nN\{a_nb_n\}_{n\in\mathbb N}是否收敛,说明理由

极限存在的准则:缩放(夹逼)原理

{xn}nN,{yn}nN,{zn}nN\{x_n\}_{n\in\mathbb N},\{y_n\}_{n\in\mathbb N},\{z_n\}_{n\in\mathbb N}满足xnynznx_n\le y_n\le z_n,且limnxn=limnzn=a\lim_{n\to\infty}x_n=\lim_{n\to\infty}z_n=a,则limnyn=a\lim_{n\to\infty}y_n=a

缩放(夹逼)原理的证明

  • 给定ϵ>0\epsilon>0,存在Nx,NzNN_x,N_z\in\mathbb N,使得xjaϵ|x_j-a|\le \epsilonzkaϵ|z_k-a|\le \epsilonjNx,kNzj\ge N_x, k\ge N_z都成立

  • N=max(Nx,Nz)N=\max(N_x,N_z),则对iNi\ge N
    yizia+ϵ,yixiaϵy_i\le z_i\le a+\epsilon, \quad y_i\ge x_i\ge a-\epsilon

  • yiaϵ|y_i-a|\le\epsilon

练习

limn1n2+1(n+1)2++1(n+n)2=?\lim_{n\to\infty}\frac{1}{n^2}+\frac{1}{(n+1)^2}+\ldots+\frac{1}{(n+n)^2}=?

极限存在的准则:单调有界

单调不减有上界或单调不增有下界的数列必有极限

(本课程不作证明)

练习

  • x1=2x_1=2, xn+1=21(xn+xn1)x_{n+1}=2^{-1}(x_n+x_n^{-1})

  • 用归纳法证明xn>1x_n>1

  • 证明{xn}nN\{x_n\}_{n\in\mathbb N}单调递减

  • 计算x2,x3x_2,x_3, 推测并验证该数列的极限

小结

  • 极限的定义

  • 极限的性质

  • 极限存在的准则