〇 前言
此文章是在武忠祥老师的高等数学的基础上做此文章,目的是为了更好留下印象以及给不懂的地方即使解释。
二编:之前想类似B站那样一个p一个p的分开发文章,但是发现一篇文章的份量太小了,于是这里故将把一个模块内整合到一起。
一 数列极限的定义
·定义:

解析:当n趋向于无穷时,lim(n->∞) Xn=a;此时数列X为n时有极限为a。整体式子含义就是,(任意一个ε在大于0时)存在一个N,当n>N时,有|Xn-a|<ε;
通俗点就是假如你离A有足够远的距离,目前要求你离A距离100米远(其中的“100米”就是式子中的“ε”),于是你就往A的方向走,走到第22步的时候(这里的“第22步”就是式子中的“N”)正好离A距离100米远;于是往后23,24步……都符合你离A的距离在100米以内。
·几何意义:

解析:同上面解析一起,当n大于给定的数值N时,数列项Xn总会在以a为原点,半径为ε的圆内。
【例一】用定义证明下列极限
- lim(n->∞) q^n=0(|q|<1)
解:任意ε>0,|Xn-a|=|q^n-0|=|q|^n<ε;两边取对数,只要n>(lnε)/(ln|q|),取N=(lnε)/(ln|q|)。当n>N时,有|q^n-0|<ε
2. lim(n->∞) sqrt(n,n)=1
解:任意ε>0,|Xn-a|=|sqrt(n,n)-1|=sqrt(n,n)-1<ε,sqrt(n,n)-1<αn<ε(进行适当放大);令sqrt(n,n)-1=αn>0,n=(1+α)^n=1+n·αn+([n(n-1)]/2!)·αn^2+…….>(n(n-1)/2!)·αn>([n(n-1)]/2!)·αn^2 => αn<sqrt(2/(n-1),2) => ……. =>( n>2/(ε^2))+1。所以存在N=2/(ε^2))+1
二 收敛数列的性质
- 唯一性:反证:lim(n->∞)Xn=a,lim(n->∞)Xn=b,假设a<b:

取ε=b-a/2,存在N,当n>N时:|Xn-a|<(b-a)/2,|Xn-b|<(b-a)/2
=>a-(b-a)/2<Xn<a+(b-a)/2,b-(b-a)/2<Xn<b+(b-a)/2
=>a+(b-a)/2=(a+b)/2,b-(b-a)/2=(a+b)/2;
=>不能既小于又大于同一个数,故而矛盾,因此证明了唯一性(只有一个极限)
解析:这里假设如果一个数列在趋向于无穷时拥有两个极限时,需要满足前面极限定义|Xn-a|<ε,因此这里引出了两个式子,但求到最后发现左式和右式中分别小于和大于的是同一个数,因此这里证明了一个数列在趋向于无穷时是无法有两个极限的。
2. 有界性:收敛数列必有界;
【证】由lim(n->∞)Xn=a,任意ε>0,存在N,当n>N,|Xn-a|<ε => a-ε<Xn<a+ε,取M=max{|X1|,|X2|……|Xn|,|a-ε|,|a+ε|},任意n∈N+,|Xn|≤M。
注:收敛必定有界,但有界并不收敛(例:1,-1,1,-1……)

解析:同上面,例如Xn=1/n,他的上边界和下边界就分别是1和0,因此他所有的数都只能在1和0这个范围内去取,并且在取极限时分别取到1和0。
3. 保号性:若lim(n->∞)Xn=a,且a>0(或a<0),则存在N,当n>N时,都有Xn>0(或Xn<0)。
推论:如果存在N>0,当n>N时,Xn≥0(或Xn≤0),则a≥0(或a≤0)

(例:αn=-1/n,他的极限就是0,但是当n>N(给定的值)后,Xn是无法大于等于0的,因为极限就是0)

(例:Xn=1/n,他的数列的值是大于0的,但是取极限时是等于0的,所以无法得出上图下面的结论)
解析:通俗点来说,如果一个数列最终趋近于一个“不为0的数”,那么到了后面,正负号就不会再变了。
4. 收敛数列与其子列之间的关系
lim(n->∞)Xn=a <=> lim(k->∞)X(2k-1) = lim(k->∞)X2k=a
注:奇数列能推出偶数列有极限,反之也成立,但是如果要推出原数列有极限的话,需要这两个都有极限并且极限为同一个数。
(例:X(2k-1):1 1 1 1 -> 1;X2k:-1 -1 -1 -1 -> -1)
三 内容小结
- 1.数列极限的“ε-N”定义及应用。
- 2.收敛数列的性质:唯一性;有界性;保号性;任一子数列收敛于同一极限。



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