当前课程知识点:微积分(先修课) > 第一章 极限 > 1.5 夹逼定理与单调有界收敛定理 > 1.5.2 夹逼定理与单调有界收敛定理(2)
同学们大家好
欢迎来到大学先修课
微积分课程
今天我们介绍第一章
极限
第五节
夹逼定理和单调有界收敛定理
单调有界收敛定理是极限理论
中的一个重要结论
也是我们微积分中
判断极限存在的基本方法之一
在这一讲中
我们将介绍
单调有界收敛定理
的具体内容
并通过几道具体的题目
来说明利用单调有界收敛定理
判断极限存在的常见方法
单调有界收敛定理
定理12
如果数列an满足an小于等于an+1
并且有上界
那么
an在n趋向于无穷时的极限
就存在
同样的
如果数列an
满足an大于等于an+1
并且有下界
那么an在n趋向于无穷时的极限也存在
单调有界收敛定理
也就是说
如果一个数列它是单调递增
而且有上界的数列
那么它的极限就存在
同样的
如果一个数列它是单调递减
而且有下界的时候
那么它的极限也是存在的
有了这个定理我们就知道
对单调数列来说
它收敛的充分必要条件
就是它是一个有界列
因为在前面我们已经介绍过
收敛数列它是一个有界列
而上面这个定理又说
对单调数列来说
它有界的时候
它一定是收敛的
所以在讨论单调数列收敛性时
我们只要看
它是不是有界列就可以了
对于函数极限来说
单调有界收敛定理
是针对单侧极限
对f(x)在x0这点的右极限
我们可以表述为
如果存在一个正数δ
使得函数f(x)在x0到x0+δ内是单调有界的
那么f(x)在x0这点的右极限
就存在
如果对左极限来说
就是说
如果存在一个正数δ
使得函数f(x)在x0-δ
到x0内单调有界
那么f(x)在x0这点的左极限
也是存在的
下面我们利用单调有界收敛定理
来做几个具体的题目
例1
我们假设an就等于
1平方分之1
加2的平方分之1
一直加到
n的平方分之1
n是正整数
我们证明这个数列
是收敛的
从题干可以看出
an+1减掉an
就等于n+1括起来平方分之1
是大于0的
所以这个数列
它是一个单调递增数列
在n大于1时
我们可以把an中的每一项
也就是1的平方分之1
加2的平方分之1
一直到n的平方分之1
从第二项开始
我们都把它的分母变小
2的平方我们变成1乘2
3的平方我们变成2乘3
最后n的平方
我们变成(n-1)乘n
那么分母变小
整个分数变大
也就是
我们可以把an放大到
1加上1乘2分之1
一直加到(n-1)乘n分之一
而从第二项开始
我们每一项可以给它写成
两项之差
而在这里面
我们后一项的第一部分
和前一项的第二部分
正好是互为相反数
所以我们就可以得到an
是小于2减掉n分之1
它就小于2
这样我们就证明了数列an
是有上界的
所以说它是一个单调递增
有上界的数列
那么由单调有界收敛定理
我们就证明了
数列an是收敛的
下面我们来看第2道例题
这道题目与我们刚介绍过的例1
有些相似
因为它说an
是等于10分之p1
加上10平方分之p2
一直加上10的n次方分之pn
其中pk是一个有界的非负数列
我们要证明这个数列an是收敛的
下面我们给出例2的证明
因为pk是一个有界非负数列
所以
我们不妨假设
它的取值范围就是0到M
因为an+1减掉an
就等于pn+1除上10的(n+1)次方
它是一个非负数
所以
这个数列
是单调递增数列
又因为这个an
我们把每一项的分子都放大到最大
就是M
那么把M提出来之后
后面应该是一个首项为10分之1
公比也是10分之1的一个等比数列求和
一共有n项
我们利用等比数列前n项和的求和公式
我们就得到了
它的和是等于
9分之M
乘上括号里面
1减掉10的n次方分之1
我们将
1-10的n次方分之1
放大到1
这样就证明了
an它是小于9分之M的
所以数列an就是一个单调递增的有界数列
那么根据单调有界收敛定理
我们就证明了
数列an是一个收敛数列
下面我们看一下
第3道例题
我们假设an
就等于
1加n分之1的n次方
我们证明这个数列收敛
这个数列
是我们微积分中
非常重要的一个数列
它的极限值也是一个很重要的数
它的极限值就是我们自然对数的底
现在我们看一下
怎么证明
这个数列是收敛的
我们利用二项式定理
将an展开
它一共有n+1项加起来
对每一项
我们把组合数计算公式
写出来
最后
我们再对它进行变形
那么
就写成了这个形式
第一项 是1
第二项 是1
第三项 是2分之1
乘上括号里面1减n分之1
第四项 是3!分之1
乘上1减n分之1
再乘上1减n分之2
最后一项是n!分之1
后面有n-1个因子相乘
第一个因子是1减n分之1
最后一个因子是1减n分之
n-1
同样地
我们将an+1
也用二项式定理展开
那么
做同样的处理
我们就会得到
有n+2项加起来
第一项 第二项
与an的展开式一样
都是1
那么从第三项开始
一直到它的第n+1项
与an的展开式中第三项
到第n+1项相比
后面乘的每一个因子
都是变大的
所以说
每一项
都比an中的
相应项来得大
而最后一项
也就是它的第n+2项
又是一个非负数
这样我们通过比较对应项的大小
就知道
an是小于an+1的
也就是
这个数列an是一个
单调增加数列
下面我们来看一看
怎么样证明
这个数列是有上界的
我们在刚才的展开式中
把后面每一个因子
1减n分之1
1减n分之2
一直到
1减n分之n-1
每一个因子
我们知道
它都小于1
我们都给它放大到1
这样
我们就把an放大到
2加上2分之1
加3!分之1
一直加到
n!分之1
接下来
我们从
第三项开始
3!写成2乘3
4!我们给它缩小到
4乘3
n!给它缩小的
n乘上n-1
那么分母变小
它的整个倒数
就变大
所以我们进一步
把an
放大到2加上
2乘1分之1
再加上3乘2分之1
一直加到n乘上n-1分之1
后面每一项可以表示成两部分
做和差
这样我们利用错位相消
就把an放大到了
3减掉n分之1
也就证明了
an是小于3的
这样
我们不仅证明了这个数列
是一个单调增加数列
也证明了
这个数列是一个有上界的数列
那么根据单调收敛定理
我们就证明了这个数列是收敛的
一般地
我们就把这个数列的极限
记做e
也就是1加n分之1的n次方
在n趋向于无穷时的极限
等于e
通过取一些具体的n的值
我们可以算出
e的值的大小
约等于2.71828
下面我们看一下第4道例题
我们假设数列an满足
第一项
也就是a0=a
a大于0
有了第一项之后
那么后一项an就等于
2分之1倍的括号里面an-1
加上an-1分之2
也就是这个数列
是通过一个递推关系给出的
下面我们来证明这个数列
是收敛的
并且求出这个数列的极限值
首先从题目的条件
我们可以知道
这个数列中的每一项an都是大于0的
而且
根据均值不等式
我们知道
从第一项开始
那么它的每一项的值
都是大于等于根下2的
利用递推关系
我们又知道
an+1减掉an
也就是等于2
减掉an的平方除上
2倍的an
因为an的平方
根据刚才我们得到的
an大于等于根下2
的结果
an的平方是大于等于2的
所以说我们就知道这个差
是小于等于0的
这说明
这个数列
是个单调递减的数列
而且它又是有下界的
那么根据单调有界收敛定理
我们就证明了
这个数列是收敛的
下面
我们来看怎么样来计算
这个数列的极限值
我们记这个数列的极限值就是A
那么
根据条件
以及极限的保号性质
我们知道A是大于等于根下2的
在递推关系两端
我们让
n趋向无穷取极限
我们就知道
极限值应该满足
这个方程
也就是
A等于二分之1倍的
括号里面A加上A分之2
我们整理这个等式
就会得到A的平方等于2
这样
我们就求出了
A等于根下2
这就是这个收敛数列的极限值
在这一讲中
我们介绍了
单调有界收敛定理的具体内容
这是判断极限存在
尤其是
判断数列极限存在的重要方法
当数列通项给出时
如果得到了它的单调性
我们一般地
可以通过适当的放缩
判断它是否有界
进而判断它是否收敛
如果数列是以递推关系的形式
给出时
利用单调有界收敛定理
判断它是否收敛
更是我们经常用的方法
下一讲开始
我们将介绍极限计算中的
另外一个重要结论
就是所谓的重要极限
谢谢同学们
下一讲再见
-0.1 绪论
--0.1.1 绪论
-1.1 极限概念引例
--第1.1节测试 极限概念引例
-1.2 极限的概念
--第1.2节测试 极限的概念
-1.3 极限的性质
--第1.3节测试 极限的性质
-1.4 极限的运算
--第1.4节测试 极限的运算
-1.5 夹逼定理与单调有界收敛定理
--第1.5节测试(1) 夹逼定理与单调有界收敛定理
--第1.5节测试(2) 夹逼定理与单调有界收敛定理
-1.6 两个重要的极限
--第1.6节测试 两个重要的极限
-1.7 无穷小量
--第1.7节测试 无穷小量
-2.1 连续函数的概念
--第2.1节测试 连续函数的概念
-2.2. 初等函数的连续性结论
--第2.2节测试 初等函数的连续性结论
-2.3 连续函数的性质
--第2.3节测试 连续函数的性质
-3.1 导数与导函数
--第3.1节测试 导数与导函数
-3.2 微分
--3.2.1 微分
--第3.2节测试 微分
-3.3 导数的运算
--第3.3节测试 导数的运算
-3.4 隐函数与参数方程确定的函数的导数、对数求导法
--3.4.1 隐函数与参数方程确定的函数的导数、对数求导法
--第3.4节测试 隐函数与参数方程确定的函数的导数、对数求导法
-3.5 高阶导数
--第3.5节测试 高阶导数
-4.1 极值和极值点
--第4.1节测试 极值和极值点
-4.2 微分中值定理
--第4.2节测试 微分中值定理
-4.3 洛必达法则
--第4.3节测试(1) 洛必达法则
--第4.3节测试(2) 洛必达法则
-4.4 函数单调性的判定
--第4.4节测试 函数单调性的判断
-4.5 函数的极值及其求法
--第4.5节测试 函数的极值及其求法
-4.6 函数的最值及其应用
--第4.6节测试 函数的最值及其应用
-4.7 曲线的凸性和拐点
--第4.7节测试 函数的凸性和拐点
-4.8 曲线的渐近线
--第4.8节测试 曲线的渐近线
-4.9 泰勒(Taylor)公式
--第4.9节测试 泰勒公式
-4.10 原函数与微分方程初步
--第4.10节测试 原函数与微分方程初步
-5.1 定积分问题举例
-5.2 定积分的概念
--第5.2节测试 定积分的概念
-5.3 定积分的基本性质
--第5.3节测试 定积分的性质
-5.4 微积分基本定理
--第5.4节测试 微积分基本定理
-5.5 定积分的几何应用
--第5.5节测试 定积分的几何应用
-5.6 定积分的物理应用
-6.1 换元积分法
--第6.1节测试 换元积分法
-6.2 分部积分法
--第6.2节测试 分部积分法
-6.3 有理函数的积分法
--第6.3节测试 有理函数的积分法
-6.4 定积分应用举例
--第6.4节测试 定积分应用举例
-6.5 反常积分
--第6.5节测试 反常积分
-7.1 无穷级数
--第7.1节测试 无穷级数
-7.2 正项级数
-7.3 比值判敛法和根式判敛法
--第7.3节测试 比值判敛法和根式判敛法
-7.4 一般项级数
--第7.4节测试 一般项级数
-7.5 幂级数
-7.6 函数的幂级数
--第7.6节测试 函数的幂级数
-7.7 泰勒级数
--第7.7节测试 泰勒级数
-7.8 幂级数的简单应用
-8.1 一阶可求解常微分方程
--第8.1节测试 一阶可求解常微分方程
-8.2 一阶线性微分方程
--第8.2节测试 一阶线性微分方程
-8.3 二阶线性常系数微分方程
--第8.3节测试 二阶线性常系数微分方程
-8.4 常系数微分方程简单应用举例
-期末考试
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