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数列极限常用结论,极限存在的三个结论?

极限在高等数学中,极限是一个重要的概念。极限可分为数列极限和函数极限,分别定义如下。数列极限:设为数列,A为定数。若对任给的正数ε,总存在正整数N,使得当n>N时,有 |An - A|A(n->∞), 读作“当n趋于无穷大时,An的极限等于A或An趋于A”。

函数极限:设f为定义在[a,+∞)上的函数,A为定数。

若对任给的ε>0,存在正数M(>=a),使得当x>M时有: |f(x)-A|A(x->+∞)

有些函数的极限很难或难以直接运用极限运算法则求得,需要先判定。如下常用的判定数列极限的定理。

1、夹逼定理:(1)当(这是的去心邻域,有个符号打不出)时,有成立

(2),那么,f(x)极限存在,且等于A

不但能证明极限存在,还可以求极限,主要用放缩法。

2、单调有界准则:单调增加(减少)有上(下)界的数列必定收敛。

在运用以上两条去求函数的极限时尤需注意以下关键之点。一是先要用单调有界定理证明收敛,然后再求极限值。二是应用夹挤定理的关键是找到极限值相同的函数 ,并且要满足极限是趋于同一方向 ,从而证明或求得函数 的极限值。

3、柯西准则

数列收敛的充分必要条件是任给ε>0,存在N(ε),使得当n>N,m>N时,都有成立。

lim趋近于0sinx/x与

重要极限lim趋近于0(1+x)^1/x=e

都是常用的极限。

设 {Xn} 为实数数列,a 为定数。若对任给的正数 ε,总存在正整数N,使得当 n>N 时有∣Xn-a∣<ε 则称数列{Xn} 收敛于a,定数 a 称为数列 {Xn} 的极限。

一般说,N随ε的变小而变大,由此常把N写作N(ε),来强调N是依赖于ε的;但这并不意味着N是由ε所唯一确定的,因为对给定的 ,比如当N=100时,能使得当n>N时有|xn-a|<ε,则N=101或更大时此不等式自然也成立.这里重要的是N的存在性,而不在于它的值的大小.另外,定义1中的,n>N也可改写成n≧N.

有了实数集的基础就可以进入正题——极限。

先说明几个符号的意义

“∀”——代表“任何”、“任意”。

“∃”——代表“存在”。

为了“线性”书写形式的方便,将采用中括号“[]”表示某些“非线性”书写形式(即利用此将其改变成“线性形式”),如

lim[n→∞] X(n)

∑[i=1,n] X(i)

∫[a,b] f(x)dx

一)数列及其极限的定义

数列是函数的一种特殊形式,即其自变量只取自然数,一般表示为{X(n)},其中n∈N。由于自然数n只可能取无穷大为其极限点,所以数列也只有n趋向于无穷时的极限。

设{X(n)}是一个数列,A是一个实常数。如果对于任意给定的ε>0,存在正整数N,对于任何n>N,成立|X(n) - A|<ε,则称数列{X(n)}收敛于A(或称A是数列{X(n)}的极限)。记为

lim[n→∞] X(n) = A

上面的文字描述可以采用下述符号表述法:

lim[n→∞] X(n) = A ↔ ∀ε>0,∃N,∀n>N(|X(n)-A|<ε)

数列的这个极限定义形式通常被称为(ε-N)分析描述语言。此类分析描述语言是由柯西和魏尔斯特拉斯发明的。

二)魏尔斯特拉斯定理

单调有界数列必有极限。

证明:

不妨设数列{X(n)}单调增加且有上界。

根据确界存在定理,由{X(n)}构成的数集必有上确界A。

任意给定ε>0,A-ε必然不是数集{X(n)}的上界,即存在N使得A>X(N)>(A-ε)。

由于数列{X(n)}是单调增加的,所以对于任何n>N,成立A>X(n)>(A-ε),即|X(n)-A|<ε。

同理可证数列{X(n)}单调减小且有下界的情况。

证毕。

三)柯西-康托尔原理(闭区间套定理)

如果{[a(n),b(n)]}构成一个闭区间套,即[a(n),b(n)]⊇[a(n+1),b(n+1)],且lim[n→∞] (b(n)-a(n)) = 0。则存在唯一实数c属于所有的闭区间[a(n),b(n)],且c是数列{a(n)}和{b(n)}的极限。

由题设,显然数列{a(n)}和{b(n)}是单调有界数列,则其必有极限分别设为A和B。由于lim[n→∞] (b(n)-a(n)) = B - A = 0,即A = B(设其为c),则

lim[n→∞] a(n) = lim[n→∞] b(n) = c

由于a(n)≤c≤b(n),可见c属于所有闭区间[a(n),b(n)]。证毕。

四)波尔察诺-魏尔斯特拉斯定理

有界数列必有收敛子列。

设数列{X(n)}有界,于是存在a1和b1成立a1≤X(n)≤b1。

等分闭区间[a1,b1]得两个闭区间[a1,(a1+b1)/2]和[(a1+b1)/2,b1],其中至少有一个含数列{X(n)}中无穷多项,记为[a2,b2]。

按此过程继续可得一个闭区间套{[an,bn]},显然(bn-an) = (b1-a1)/2^(n-1),即lim[n→∞] (bn-an) = 0。

由闭区间套定理可知存在实数c属于所有闭区间[an,bn],且lim[n→∞] an = lim[n→∞] bn = c。

现在构造数列{X(n)}的一个子列。

任取数列{X(n)}中的一项X(n1),显然此项必在闭区间[a1,b1]内。

由于闭区间[a2,b2]内含有无穷多个数列{X(n)}的项,在其内选一个X(n2)且n2>n1。

按此过程继续可得数列{X(n)}的一个子列{X(nk)},其通项X(nk)必在闭区间[ak,bk]内,则有关系

ak≤X(nk)≤bk

由极限的夹逼性可得

lim[n→∞] = c

五)柯西收敛原理

先定义基本数列:

如果数列{X(n)}具有如下特性

∀ε>0,∃N,∀n>N∧∀m>N(|X(n)-X(m)|<ε)

则称此数列为基本数列。

数列{X(n)}收敛的充分必要条件是它是个基本数列。

先证必要性。如果数列{X(n)}收敛于A,按收敛定义有

∀ε>0,∃N,∀n>N∧∀m>N(|X(n)-A|<ε/2∧|X(m)-A|<ε/2)

则有

|X(n)-X(m)|≤|X(n)-A|+|X(m)-A|<ε

即数列{X(n)}是个基本数列。

再证充分性。如果数列{X(n)}是个基本数列,对于选定的固定值ε,存在N,当m和n都大于N时成立

|X(n)-X(m)|<ε

现再固定m,显见X(n)有界,即数列{X(n)}是个有界数列。由波尔察诺-魏尔斯特拉斯定理可知有界数列{X(n)}必有收敛子列{X(nk)},设其收敛于A,即lim[k→∞] X(nk) = A。

因为{X(n)}是基本数列,故∀ε>0,∃N1,∀n>N1∧∀nk>N1(|X(n) - X(nk)|<ε/2)。

又由于lim[k→∞] X(nk) = A,则∃N2,∀nk>N2(|X(nk)-A|<ε/2)。

取N=max(N1,N2),当∀n>N∧∀nk>N时有

|X(n)-A|≤|X(n)-X(nk)|+|X(nk)-A|<ε

即数列{X(n)}收敛(lim[n→∞] X(n) = A)。证毕。

六)实数系基本定理的等价性

前面分别给出了五个实数系基本定理以及它们的证明。从其证明的过程可以发现有下列推导关系

实数连续公理→确界存在定理→魏尔斯特拉斯定理→柯西-康托尔原理(闭区间套定理)→波尔察诺-魏尔斯特拉斯定理→柯西收敛原理

此外,还存在如下的推导关系

柯西收敛原理→柯西-康托尔原理(闭区间套定理)→确界存在定理

由此可见,实数系的五个基本定理是完全等价的。

七)数列极限的性质和四则运算

下面简单罗列一下数列极限的一些性质和运算法则:

1、数列极限的唯一性

2、收敛数列的有界性

3、收敛数列的保序性

4、数列极限的夹逼性

5、数列极限的运算法则

a)lim[n→∞] (a X(n) + b Y(n)) = a lim[n→∞] X(n) + b lim[n→∞] Y(n)

b)lim[n→∞] (X(n) Y(n)) = lim[n→∞] X(n) lim[n→∞] Y(n)

c) 如果lim[n→∞] Y(n) ≠ 0,则lim[n→∞] (X(n)/Y(n)) = lim[n→∞] X(n) / lim[n→∞] Y(n)

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