湖南大学《高等数学》课件-第4讲数列极限收敛准则、无穷小量、极限运算.pdf

高等院校非数学类本科数学课程 一元微积分学大 学 数 学（一）第四讲 数列极限收敛准则、无穷小量、极限运算脚本编写、教案制作：刘楚中 彭亚新 邓爱珍 刘开宇 孟益民湖南大学高等数学第二章 数列的极限与常数项级数的含义。和极限。正确理解语言描述数列的会用了解数列极限的概念，NN念和性质。量的概收敛准则。熟悉无穷小熟悉数列极限的性质和。极限或简单的极限证明限运算法则计算数列的以及极式”法、“夹逼定理”能熟练运用“放大不等性质。件以及收敛级数的基本必要条性质。掌握级数收敛的理解常数项级数概念和别法。收敛判判别法。掌握交错级数熟悉常数项级数的收敛级数的敛散性。数、熟悉等比级数、调和级P本章学习要求：第二章 数列的极限与常数项级数第二节 数列极限收敛准则第三节 数列极限的运算一、数列极限收敛准则二、无穷小量与无穷大量三、极限的运算四、施笃兹定理及其应用1.单调收敛准则单调减少有下界的数列必有极限.单调增加有上界的数列必有极限.一、数列极限收敛准则通常说成：单调有界的数列必有极限.11 收敛证明数列+nn证证由中学的牛顿二项式展开公式+=+=321!3)2)(1(1!2)1(1!1111nnnnnnnnnnxnnnnnnnnn1!)1()1(+=nnn2111!3111 2111！,112111!1+nnnnn例1类似地,有11111+=nnnx 111121111!1+nnnnn 11121111!)1(1+nnnnn+=121111!31111 2111nnn！除前面的展开式可以看出与比较 ,1+nnxx并且的对应项的每一项都小于两项外,1+nnxx因此一项还多了最后的大于零的 ,1+nx1+nnxx.是单调增加的即nx+=nnnxn2111!3111 2111！112111!1+nnnnn又!1!31!2111n+1221212111+n,321321121111=+=nn等比数列求和放大不等式 .有界从而nx每个括号小于 1.综上所述,数列xn是单调增加且有上界的,由极限存在准则可知,该数列的极限存在,通常将它纪为e,即.11limennn=+e 称为欧拉常数.590457182818284.2=e.ln :,xye=记为称为自然对数为底的对数以!1!31!21!111 nnnee+=的计算公式为.10 ,其中欧拉一身经历坎坷。他于1707年生于瑞士巴塞尔，20年后却永远离开了祖国。在他76年的生命历程中，还有25年住在德国柏林（17411766年），其余时间则留在俄国彼得堡。欧拉31岁时右眼失明，59岁时双目失明。他的寓所和财产曾被烈火烧尽（1771年），与他共同生活40年的结发之妻先他10年去世。欧拉声誉显赫。12次获巴黎科学院大奖（17381772年）曾任彼得堡科学院、柏林科学院、伦敦皇家学会、巴塞尔物理数学会、巴黎科学院等科学团体的成员。欧拉成就卓著。生前就出版了560种论著，另有更多未出版的论著。仅仅双目失明后的 17 年间，还口述了几本书和约400篇论文。欧拉是目前已知成果最多的数学家。欧拉聪明早慧，13岁入巴塞尔大学学文科，两年后获学士学位。第二年又获硕士学位。后为了满足父亲的愿望，学了一段时期的神学和语言学。从18岁开始就一直从事数学研究工作。欧拉具有超人的计算能力。法国天文学家、物理学家阿拉哥（D.F.J.Arago，17861853）说：“欧拉计算一点也不费劲，正像人呼吸空气、或像老鹰乘风飞翔一样。”有一次，欧拉的两个学生计算一个复杂的收敛级数的和，加到第17 项时两人发现在第 50 位数字相差一个单位。为了确定究竟谁对，欧拉用心算进行了全部运算，准确地找出了错误。特别是在他双目失明后，运用心算解决了使牛顿头疼的月球运动的复杂分析运算。欧拉创用 a，b，c 表示三角形的三条边，用 A，B，C表示对应的三个角(1748)；创用 表示求和符号(1755)；提倡用 表示圆周率（1736）；1727年用 e 表示自然对数的底；还用y 表示差分等等。十八世纪四十年代，欧拉的一些著作就已传到中国，如他在1748年出版的无穷分析引论。2.数列极限的夹逼定理设数列 xn,yn,zn 满足下列关系:(2),limlimazynnnn=+则axnn=+lim(1)yn xn zn,n Z+(或从某一项开始);想想：如何证明夹逼定理?,limlim 所以因为azynnnn=,|,0 ,0 1ayNnNn时当,|,0 ,0 22azNnNn时当 ,max 21有时则当取NnNNN=.|,|azaynn故有或从某一项开始已知 ),(+Znzxynnn)(Nnazxyannn+,由极限定义得有时即当axNnn.limaxnn=+解解 .12111 lim 222+nnnnn求112111 22222+nnnnnnnnn,1lim 2=+nnnn而11lim2=+nnn由于112111 lim 222=+nnnnn故例2想得通吧？解解.,!lim +Znnnnn求,11 321!0 nnnnnnnnnnn=由于 1.1,3,2均小于nnnn,00lim ,01lim =+nnn而.0!lim =+nnnn故例3 .)321(lim 1nnnn+求 132313)321(11nnnnnn+=+,3132311 +nn而 ,33)321(3 11nnnn+故 ,3)33(lim 1=+nn又 .3)321(lim ,1=+nnnn得由夹逼定理夹逼定理例4解解例5 .221lim 2nnnn+求解解 ,1 时当n 2212nn+,12122121 2nnnnnnn+故 ,121lim ,21lim 22enennnnn=+=+而 .221lim 22ennn=+故夹逼定理请自己做!+n11 ,121)1(221+=+nnnn有界数列的重要性质由任何有界数列必能选出收敛的子数列由任何有界数列必能选出收敛的子数列.:bxaxnn有界设数列 .,11baxban记为的无穷多项含有数列间则其中至少有一个小区二等分将区间 .,2211baba多项的新的小区间无穷又可得到一个含有数列二等分再将 .,含前一个小区间内且每一个小区间都被包区间无穷多项的小可得到无穷多个含数列如此下去定理定理ab1a1b2a2b3a3bnanb,112211bababababannnn左端点构成单调增加的数列右端点构成单调减少的数列 ,nknnxba记为中任取数列的一个元素在区间 ,且它是原数列的子数列则得到一个数列nkx .lim :cxnkn=+由夹逼定理 ).(2 ,+Znabbannnn的区间长度为个小区间第 :存在故由单调收敛准则可知cbannnn=+limlim ,02lim)(lim =+nnnnnabab即有nknbxan .收敛即子数列nkx上面所用到的方法归结起来称为“区间套定理”.:,它们满足是数轴上的一串闭区间设kkba(区间套定理)定理定理 ;,)1(11+Zkbabakkkk 0,|lim )2(=+kkkab ).,|,(的长度为区间其中kkkkbaab ,且则存在唯一的实数+Zkbackk .limlimcbakkkk=+3.柯西收敛准则=+)(lim收敛即数列nnnxax.|,0 ,0nmxxNnmN时当满足此条件的数列,称为“柯西列”.柯西准则可写为:.为柯西列收敛数列nnxx .131211 时发散的证明数列n+证证,1 31211 nxn+=记nnnxxnn212111|2+=由于 ,212111=+nnnnn ,21 0均有时当取何值则不论时故取NnN=0221|=nnxx由柯西收敛准则可知,该数列是发散的.例6 ,:Rx证明 .2sin22sin2sin 2收敛数列nnxxx+证证 ,2sin22sin2sin 2有记Rxnxxxxnn+=mnnnmmxxnxnxx2sin2)2sin(2)1sin(|21+=+,2121211212121211121nnmnmnn+=+,1log ,0 2有时则当取从而NnmN=nnmxx21|由柯西收敛准则可知,该数列是收敛的.例7柯 西A.L.Cauchy(17891857)业绩永存的业绩永存的数学大师数学大师柯西 1789 年8月21日出生于巴黎。父亲是一位精通古典文学的律师，与当时法国的大数学家拉格朗日和拉普拉斯交往密切。少年时代柯西的数学才华就颇受这两位大数学的赞赏，并预言柯西日后必成大器。在拉格朗日的建议下，其父亲加强了对柯西文学素质的培养，使得后来柯西在诗歌方面也表现出很高的才华。18051810年，柯西考入巴黎理工学校，两年后以第一名的成绩被巴黎桥梁公路学院录取，毕业时获该校会考大奖。1810年成为工程师。1815年获科学院数学大奖，1816年3月被任命为巴黎科学院院士，同年9月，被任命为巴黎理工学校分析学和力学教授。由于身体欠佳，接受拉格朗日和拉普拉斯的劝告，放弃工程师工作，致力于纯数学研究。柯西在数学上的最大贡献是在微积分中引进了极限概念，并以极限为基础建立了逻辑清晰的分析体系。这是微积分发展史上的一个重大事件，也是柯西对人类科学发展所作的巨大贡献。1821年柯西提出了极限定义的方法，把极限过程用不等式刻划出来，后经维尔斯特拉斯改进为现在教科书上所说的极限定义或定义。当今所有微积分教科书都还（至少在本质上）沿用柯西关于极限、连续、收敛等概念。柯西对定积分作了系统的开创性的工作。他把定积分定义为和的极限，并强调在作定积分运算前，应判断定积分的存在性。他首先利用中值定理证明了微积分基本定理。通过柯西以及后来维尔斯特拉斯的艰苦工作，使数学分析的基本概念得到严格化处理，从而结束了 200 年来微积分在思想上的混乱局面，并使微积分发展为现代数学最基础、最庞大的数学学科。数学分析严谨化的工作一开始就产生了很大的影响。在一次学术会议上柯西提出了级数收敛理论，会后，拉普拉斯急忙回家，关起门来，避不见人，直到将他所发表和未发表的与级数有关的论文和著作全部检查一遍，确认无误为止。柯西一生撰写的数学论著有800多种。他是19 个科学院或著名学术团体的成员。1838年他还被授予男爵封号。他在学术上的贡献涉及到分析学、复变函数论、弹性力学、微分方程、群论、行列式、数论、解析几何、数值分析、微分几何、光学、天体力学等学科或学科分支。柯西一生最大的错误是“失落”了才华出众的年轻数学家伽罗华与阿贝尔的开创性的论文手稿，致使群论晚问世近半个世纪。1857年5月23日柯西病逝于巴黎。他的临终遗言：“人总是要死的，但他们的业绩永存。”二、无穷小量与无穷大量1.无穷小量我们称之为由数列的定义 ,)(:+=Znnfxn.nx整序变量或变量对数列极限的描述,实际上,就是对整序变量极限的描述.nnxx 的值构成相应的数列整序变量(1)无穷小量的定义.,0lim 为一个无穷小量则称变量若nnnxx=+简言之：以零为极限的量,为该极限过程中的无穷小量.无穷小量描述的是变量的变化趋势,不是指一个很小的数.1 ,01lim )1(时为无穷小量当故+=nnxnnn.21 ,021lim )2(时为无穷小量当故+=+nxnnnn )1(,0)1(lim )3(11nxnnnnn+=故.时为无穷小量当+n无穷小量描述的是变量的变化趋势,不是指一个很小的数.小量：以下几个变量均为无穷时当 ,+n例8(2)无穷小量的运算性质 .0 lim ,0 lim =+nnnnyx设 ).(.0)(lim之和仍为无穷小量推广：有限个无穷小量=+nnnyx ).(.0)(lim之积仍为无穷小量推广：有限个无穷小量=+nnnyx两个无穷小量的商的情况比较复杂,以后会专门讨论.,仍为无穷小量无穷小量与有界量之积时+n(推广：常数与无穷小量之积仍为无穷小量.)证证.0)(lim=+nnnyx 0,0 lim ,0 lim =+所以因为nnnnyx,|,011nxNnN时当.|,022nyNnN时当有时则当取 ,max 21NnNNN=,2|=+nnnnyxyx .0)(lim =+nnnyx即其它性质可仿此进行证明.几个问题几个问题结结 论论 .3