1.4 极限的运算法则

高等数学A1



周维祺

有限可加性

若sn→ss_n\to s, tn→tt_n\to t,则sn+tn→s+ts_n+t_n\to s+t

有限可加性的证明

  • ∣sn+tn−(s+t)∣=∣sn−s+tn−t∣≤∣sn−s∣+∣tn−t∣|s_n+t_n-(s+t)|=|s_n-s+t_n-t|\le|s_n-s|+|t_n-t|

  • 由收敛性的定义知对任意ϵ>0\epsilon>0,存在充分大的N1,N2N_1, N_2,使
    ∣sj−s∣≤ϵ/2,∣tk−t∣≤ϵ/2|s_j-s|\le\epsilon/2, \quad |t_k-t|\le\epsilon/2对j≥N1,k≥N2j\ge N_1, k\ge N_2都成立

  • 从而对i≥max⁡(N1,N2)i\ge\max(N_1, N_2)有
    ∣si+ti−(s+t)∣≤∣si−s∣+∣ti−t∣≤ϵ|s_i+t_i-(s+t)|\le|s_i-s|+|t_i-t|\le\epsilon

有限可乘性

若sn→ss_n\to s, tn→tt_n\to t,则sntn→sts_nt_n\to st

有限可乘性的证明

  • ∣sntn−st∣=∣sntn−snt+snt−st∣|s_nt_n-st|=|s_nt_n-s_nt+s_nt-st|

  • sn→s⇒s_n\to s\Rightarrow存在K>0K>0,使∣sn∣≤K|s_n|\le K对所有n∈Nn\in\mathbb N都成立

  • 由收敛性的定义,存在充分大的NN,使下式对i≥Ni\ge N都成立
    ∣tn−t∣≤ϵ/(2K),∣sn−s∣≤ϵ/(2t)|t_n-t|\le\epsilon/(2K), |s_n-s|\le\epsilon/(2t)

  • ∣sntn−st∣≤∣sn∣∣tn−t∣+∣t∣∣sn−s∣≤ϵ|s_nt_n-st|\le|s_n||t_n-t|+|t||s_n-s|\le\epsilon

例子

lim⁡n→∞2n+33n+2=lim⁡n→∞2+3n−13+2n−1=23\lim_{n\to\infty}\frac{2n+3}{3n+2}=\lim_{n\to\infty}\frac{2+3n^{-1}}{3+2n^{-1}}=\frac{2}{3}

练习

  • 设lim⁡n→∞bn\lim_{n\to\infty}b_n不存在,判断以下说法是否正确,说明理由

  • 若an→aa_n\to a, 则lim⁡n→∞an+bn\lim_{n\to\infty}a_n+b_n仍不存在

  • 若lim⁡n→∞an\lim_{n\to\infty}a_n也不存在, 则lim⁡n→∞an+bn\lim_{n\to\infty}a_n+b_n不存在

  • 若lim⁡n→∞an\lim_{n\to\infty}a_n也不存在, 则lim⁡n→∞anbn\lim_{n\to\infty}a_nb_n不存在

解答

  • 正确,若存在,则bn=(an+bn)−anb_n=(a_n+b_n)-a_n极限也存在,矛盾

  • 反例:an=(−1)n,bn=(−1)n+1,an+bn=0a_n=(-1)^n ,b_n=(-1)^{n+1}, a_n+b_n=0

  • 反例:an=bn=(−1)n,bn=(−1)n+1,anbn=1a_n=b_n=(-1)^n ,b_n=(-1)^{n+1}, a_nb_n=1

项数与nn无关的必要性

1n+…+1n⏟n项=1≠0\underbrace{\frac{1}{n}+\ldots+\frac{1}{n}}_{n 项}=1\neq0

21n⋅…⋅21n⏟n项=2≠1\underbrace{2^{\frac{1}{n}}\cdot\ldots\cdot2^{\frac{1}{n}}}_{n 项}=2\neq1

单调性

若sn→ss_n\to s, tn→tt_n\to t,且sn≥tns_n\ge t_n, 则s≥ts\ge t

单调性的证明

  • 令an=sn−tna_n=s_n-t_n,则an≥0a_n\ge0,且an→s−ta_n\to s-t

  • 若s−t<0s-t<0,则由极限的保号性知存在充分大的NN,使ak<0a_k<0对k≥Nk\ge N都成立,从而与an≥0a_n\ge 0矛盾

  • 因此s−t≥0s-t\ge 0,即s≥ts\ge t

函数的极限也具有上述所有性质

可复合性

设lim⁡x→x0g(x)=u0\lim_{x\to x_0}g(x)=u_0, lim⁡x→u0f(x)=A\lim_{x\to u_0}f(x)=A,则lim⁡x→x0f[g(x)]=A\lim_{x\to x_0}f[g(x)]=A

(学习连续性后会有更深入的理解)

练习

  • 若an→0,bn→1a_n\to 0, b_n\to1,cnc_n单调递增无上界,判断以下说法是否正确,说明理由

  • an<bn<cna_n< b_n <c_n

  • lim⁡n→∞ancn\lim_{n\to\infty}a_nc_n不存在

  • lim⁡n→∞bncn\lim_{n\to\infty}b_nc_n不存在,但lim⁡n→∞anbn\lim_{n\to\infty}a_nb_n存在

解答

  • 反例: an=n−1,bn=1,cn=na_n=n^{-1}, b_n=1, c_n=n,则a1=b1=c1a_1=b_1=c_1

  • 反例: an=n−1,cn=na_n=n^{-1}, c_n=n,则ancn→1a_nc_n\to1

  • 正确:利用保号性和有限可乘性

一般情况下,多重极限不可交换顺序

例:amn={1m≥n0m<na_{mn}=\begin{cases} 1 & m\ge n \\ 0 & m< n\end{cases}, 则

lim⁡m→∞lim⁡n→∞amn=0≠1=lim⁡n→∞lim⁡m→∞amn\lim_{m\to\infty}\lim_{n\to\infty}a_{mn}=0\neq 1=\lim_{n\to\infty}\lim_{m\to\infty}a_{mn}

小结

  • 极限的有限可加和有限可乘性

  • 单调性和可复合性

  • 多重极限一般不可交换顺序