当前课程知识点:微积分-1 > Chapter 2 Sequence 数列 (first part) > Unit 1 Limit of a Sequence (数列的极限) > Limit of a Sequence (数列的极限)
同学们你们好
欢迎来到 mooc在线课程微积分
上一章我们学习了
实数的各种基础知识
在这一章 我们将学习
实数的序列 也就是数列
关于数列 我们学习的重点
是数列的极限
我们将使用一种非常严密而精确的逻辑语言
来定义什么叫做数列的极限
这种语言就是 εN语言
它是整个微积分的核心内容之一
希望同学们认真的学习和体会
好的 下面我们从数列谈起
Chapter Two Sequences 数列
Unit One Limit of a Sequence
数列的极限
Section One Definition of a Sequence
数列的定义
同学们 我们先从基础的定义入手
首先讲一下 什么是数列
definition
a sequence is an ordered set of numbers
一个数列呢 就是有序的数集
这个有序的数集
通常其中的元素 用U1 U2 U3
so on 来代表
也就是说 它是编好序的一个集合
那么整体上呢
我们用一个花括号里边写上 Un
这样的符号来表示一个具体的数列
so we denote by braces of
Un a sequence
我们说 一个数列中的元素
用u 小标n来表示
那么这个特殊的Un
就叫做这个数列的第n项
the n-th term of the sequence
注意 我们通常考虑的这个数列
都是指无穷数列
infinite sequences
we only consider infinite sequences
那么 所谓无穷数列 意思就是说
n 从1开始没有截止
也就是说n可以任意的大
so we say that n goes from one to infinity
下面 就是无穷数列的抽象定义
好的 我们来看一个具体的例子
example 1.2
we take Un equals one over two n minus one
where n starts from one and two
and three and so on
so this sequence Un
is an infinite sequence
请看 我们这里把
具体的第n项用具体的式子写出来了
所以这就是一个具体的例子
好 刚才这个例子中的点列
我们可以用一个具体的图像来表示
请看 这里 我们把刚才这个例子
用一串点列来表示出来
就像我们用函数的图像
来表示一个函数一样的道理
当然 因为数列 是一些离散变量的函数
也就是说它的变量实际上只有n
而不是函数变量中的x
因此我们画出来的通常都是
这样离散的点列
Section Two Limit of a Sequence
数列的极限
同学们 在第一章中
我们接触到了 上确界 下确界
聚点 等等这种概念
这些概念有点像极限
但是 它还不是真正的极限
现在我们要来严格定义极限
我们要特别定义什么是数列的极限
我们还是要像 定义上确界下确界那样
用非常严格的语言来定义它们
下面请看定义2.1
definition two point one
given a sequence Un
给定某个数列Un
we say the limit of the sequence Un
is l which is some number in R
我们称 某一个数l
是这个数列Un的极限
如果以下的条件成立
if the following condition is satisfied
好 下面是我们的重点
就是 极限的条件 请看
for all ε which is positive
there exist some N which is a positive integer
对任意的ε大于0
存在某一个N N是一个正整数
注意这个N它是由小ε来决定的
so it depends only on ε
such that for all little n bigger than big N
对任意的小n大于大N
注意 小n是脚标
而大N是刚才指定的那个自然数
we have the absolute value of Un
minus l less than ε
Un减去l的绝对值要小于ε
整个这些条件要连起来理解
也就是说 我们再看一遍
任意的ε大于0 存在着某一个
只依赖于ε的大N
使得对任意的比大N还大的脚标n而言
都有Un减去l的绝对值小于ε
那么整个这句话可以这样理解
对任意指定的误差ε
存在着某一个起始的指标大N
从这个起始指标大N开始
所有的数列中的项Un和l的差
也就 是Un 和它的极限l的距离
不能超过指定的误差ε
这就是极限的定义
in this case we write Un
approaches l as n goes to infinity
or limit as n goes to infinity
Un equals l
也就是表示
Un在n趋近于无穷时候的极限是l
以上就是极限的定义
接下来我们还有一个定义
definition 2.2
if a sequence has a limit
which must be unique
给定的一个序列
如果它有一个极限的话
那么这个极限一定是唯一存在的
we say that the sequence is convergent
这个时候呢 我们称这个序列是收敛的
convergent
otherwise it is called divergent
否则称为 发散的
也就是说 有的数列它有极限
有的数列它没有极限
我们还是来看一个具体的例子吧
example
suppose that Un equals
three n plus one over n
假设现在我们指定的这个数列
它的第n项是3n加1除以n这种样子
那么 它有没有极限呢
实际上 这个时候
the sequence is convergent
它是有极限的
也就是说它就是收敛的
那么它的极限是多少呢
the limit of Un is three
这是为什么呢
我们来给一个严格的证明
好 请看我们的证明
proof of this fact
for all ε positive we take big N
equals bracket of one over ε plus one
同学们 这里 我们有一个特殊的记号
就是ε分之一加一个方括号
这个意思它表示ε分之一
这个数的整数部分
因为ε分之一 它毕竟是一个正数
它有不超过它的最大的正整数
也就是它的整数部分
好的 这样我们把 大N取定了
我们来 看看这个大N
是否满足极限定义中的要求
then for all little n bigger than big N
对任意的小n大于大N
we have 我们来检验一下
Un minus three the absolute value
看一下Un减3 的绝对值会怎样
它会等于
three n plus one over n minus three
这就是定义 再算出来呢
实际上就是n分之一了
好了 那这个结果会不会小于ε呢
我说一定会为什么呢
因为 小n分之一一定会小于大N分之一
因为小n比大N大
好了 大N分之一它就会比ε要小
这是因为 我们刚才取的大N
它一定会大于ε分之一
同学们这里一定要认真的思考一下
这里的一些细节
由此可见 我们对 任意的ε
所取的大N 满足极限定义中的要求
这样我们就证明了刚才这样的事情
好的 我们接下来 再看一个例子
example 2.4
limit n goes to infinity arctan n
当 n 趋近于无穷的时候
这个数列是 arctan n
当然 arctan 它是反三角函数
这个函数我们会在第三章中
再做一次详细的解释
如果同学们不太明白 arctan n的话
那么这个地方我们可以先放一下
好的 对于这个极限
我们说 它的极限是 二分之π
这个事实的证明 有点复杂
我们可以在本课的一些参考材料中
找到具体的证明
我们在本堂课就不做详细的解释了
总之 我们可以用一个图
来看出来这件事情
the graph of this example Is shown below
请看下面的图
这里呢 我们画出了 arctan n
在n趋近于非常大的时候的走向
它是一串连续的点列
我们看到当n越来越大的时候
它的确是越来越靠近
二份之π 这条线的
我们再看一个例子
example 2.5
suppose that Un equals n square
我们取的这个数列 第n项
是 n的平方 那么这个数列
它实际上就没有极限
所以 我们说这个数列
它是发散的数列
this sequence is divergent
当然要证明这件事情
也并不是很困难
其实最简的方法
就是看一下它的图像就可以了
请看 我们这里画的是
Un equals n square 这个数列的图像
我们看到 随着n 越来越大
这个数列的值 也是越来越大
它并不趋向于某个特定的值
因此 不可能找到
它的一个具体的极限
它一定是没有极限的
所以说它是发散的数列
同学们 刚才这些例子
都比较简单 其中有一个例子
我们还给出了 具体的证明过程
在一开始接触到极限的时候
我们的确要证明一个极限
是需要用 εN 这种语言去证明它
用严格的方法
那么随着我们学习的知识越来越多
后面我们求极限
或者证明极限的时候
就要逐渐摆脱这种语言了
而用其他的方法
这是我们后面的内容
好的 现在我们留给同学们
一个课后思考题
刚才我们定义了
什么时候我们称 序列有极限
那么对于极限不存在的情况
我们应该怎样定义呢
也就是说 能不能找到
严格的 εN 这种语言来定义什么叫做
一个数列不存在极限
希望同学们课后认真地
把这个定义自己揣摩出来
好的 同学们
以上就是本讲的全部内容
在这一讲中 我们学习了
微积分中最核心的概念之一
也就是数列的极限
这个概念在今后的学习中
我们还要反复用到
希望同学们在课后
结合习题 加深理解和体会
在下一讲中 我们将学习
如何使用简单的极限
来求出复杂的极限
好的 同学们 我们下一讲 再见
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-章节测验5
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