当前课程知识点:微积分——极限理论与一元函数 > 第二章 极限论 > 第一节 数列极限的概念与性质 > 数列极限的性质及四则运算法则
前面我们介绍了数列极限的概念
接下来我们来介绍一下
我们常用的数列极限的性质
这方面既包括定性的性质
也包括定量的运算性质
这是我们这一章的第二节内容
也就是数列极限的性质
我们先说第一个
因为极限是个值
而且极限值反映了这个数列中的项
当下标越来越大它们的变化趋势
所以我们首先强调一下
数列这个极限如果一旦存在
它的值应该是唯一的
这就是所谓的唯一性定理
那我们写成一个结论应该就是说
若这个数列的极限存在
则这个极限值也就其值唯一
实际上这个唯一性
从我们前面介绍数列极限概念的时候
大家可以从极限的几何意义上能够想象出来
也就是说如果一个数列是有极限的
假设它有两个极限值
一个是A 一个是B
那么根据极限定义
说你以y等于这条直线为中心画一个带状区域
因为它极限是A所以从某一个点之后
数列对应的点都应该跑到这个带状区域里面来
如果它极限又是B的时候
它当然还应该符合数列极限的概念
我画这么一个带状区域
那么从某一个点之后
数列对应的点也应该都跑到这个带状区域里面来
我想这个矛盾大家看的是很清楚的
如果A和B不相等的时候
我自然可以画的这两个带状区域是没有交集的
那没有交集的时候
那么从某一点之后
它既要在下面又要在上面
这显然是不可能的
所以这实际上就是数列极限的唯一性
那如果我们严格地写出它的证明
这个问题也不难
我们可以这样去写
写一下如果设它的极限一个是A一个是B
我来证明A和B相等就行了
大家看一下A减掉B
因为它们都是数列{an}的极限
所以我自然就会给它把那个极限定义中的东西拿出来
也就是说在这里面我们给它
减一个an加一个an
用绝对值的三角不等式去放到这个地方
这样的时候大家看
因为它极限是A
所以在n趋向于无穷时这个绝对值应该是趋向0的
同时这个绝对值也趋向于0
这样我们就知道
A减B这个数是个确定的数
它趋向于0
所以A与B应该就相等
这应该就是这个极限唯一性的证明
接下来我们来看第二个性质
第二个性质我们给它叫有界性
有界性它指的是什么
它指的是说
如果一个数列{an}它极限存在也就是收敛
则这个数列{an}是有界的
这个有界性实际上从我们刚才这个地方
画出来的图里面也可以看出来
因为它极限存在
所以说从某一点之后
它们的对应的点
都应该是落在一个带状区域里面
所以从某一点之后
它们这个数列中的项
是能够有最上面的上界和下面的下界
而在这个点之前是只有有限个数
所以说它的有界性从几何上看也是比较明显的
那我们如果用严格的数学语言来给出一个证明
该怎么写
我们可以这样写
也就是说因为这个数列极限是有的
我们不妨把极限写成A
这是我们的条件
所以就是我们能够找到一个N大于0
当n大于N时我们就有
an减A的绝对值譬如说这个是小于1的
关于这个1实际上因为在定义里面
它是对所有的ε大于0我都能找到这样的N
但我们在这个地方只要证明它的有界性
所以我不见得我要所有的ε
我只要对任意固定的一个ε就可以了
特别的我们把ε取成1
这套东西还是有的
这个不等式利用绝对值的性质
我们马上就得到了
an的绝对值应该是小于A的绝对值加1
这样做完之后我就取M就等于什么呢
等于这些数里面的最大值
a1的绝对值 a2的绝对值
一直到an的绝对值
最后是个A的绝对值加1
这样取出来M就应该是个确定的大于0的数
那么取完之后大家看M应该就满足
则就是an的绝对值永远不会超过M
对所有的n来说
因为如果这个n大于N的时候
在这之后它的绝对值是不会超过这个M的
而在这之前
因为我这个M是在这些数里面取的最大的
所以说当n小于等于N时
它的绝对值自然也不会超过M
而这正好是数列有界的定义
也就是说你找到了一个大于0的数
它每一项的绝对值都不会超过这个值
关于就是说收敛数列有界
这是我们在极限理论里面比较有用的一个结果
也是经常用的一个结果
但是这个结果我们反过来说
应该也是得不到相关结论
说有界数列是不是收敛
我们知道有界数列不见得收敛
譬如说负一的n次方
这个数列它就是有界列
它不是收敛的
当然在后面我们还会介绍其他的内容
我们会介绍的一个很重要的结论就是说
有界数列尽管它本身并不收敛
但是有界数列里面至少要有一个收敛的子列
这是我们在后面要介绍的内容
另外就是说这个定理
当然也说清楚了另外一件事情
收敛列一定是有界列
反过来说无界列肯定是发散的
这当然是对的
那无界列发散就是说在发散的过程中
有没有其他的就是说我们可以利用的东西
后面我们也会做相关的介绍
这是第二个性质
第三个性质就是我们叫数列极限的保号性
它说的是这个内容
也就是说如果这个数列极限存在
而且A大于0
则就是说存在一个N大于0
当n大于N时我们的an是大于0的
这是它的内容
大家仔细看一下它的内容实际是说的什么东西
也就是说由极限值的正负号可以几乎确定
这个数列中每一项的正负号
所谓的可以几乎确定的含义是什么
也就是说从某一项之后
它数列中那个项的正负号
应该跟极限值的正负号是一致的
与极限值的正负号可能不一致的项
只能是有限项
相对于无穷来说有限项当然可以忽略不计
所以我们有时候通俗地说
由极限值地正负号可以确定数列中每一项的正负号
当然这个每一项是不包括前面有限项的
这是这个定理说的就是性质
接下来我们来给一个简短证明
这个证明就这样说
说我如果取这个ε就等于二分之A
这当然是大于0的
因为这个极限它是A
所以根据极限定义呢
所以我们就找到一个N大于0
当n大于N时
我们就有这个东西an减A的绝对值它是小于ε的
ε是等于二分之A
这样的时候我们利用绝对值的定义
也就是an它应该是小于二分之三倍的A大于二分之A
实际上我们不仅证明了从某一项这个an是大于0的
实际上我们证明了从某一项开始
它这个an是大于二分之A的当然是大于0的
实际上这个性质我们也可以回到这个几何图形上来看
所谓它的极限大于0就是说我在x轴上方有条水平线
以这条水平线作中轴我随便做一个带状区域
那么从某一点之后
数列对应的点都跑到这个带状区域里面去
所以说它当然是会跑到x轴上方
那就是它对应的数大于0
那实际上通过这个证明大家可以看出来
就是在x轴和y等于A这两条直线之间
你随便画一条线
那么根据极限的定义
我们都可以保证从某一项之后
它对应的点会跑到这条线上方
所以说这个地方它的系数是二分之A
实际上你可以把细数定义成一个r
r只要大于0小于1就可以了
我想这是我们要介绍的第三个性质
就是保序性
保序性应该是极限的一个很重要的性质
也是我们用的最多的一个性质
当然有了这个保序行性
我们马上得到了另外一个推论
这个推论我就说一下
说如果一个数列它每一项的值都是非负的
那么当它的极限存在时
它的极限值也应该是非负的
也就是说如果通项都是非负的时候
极限值绝对不会小于0
为什么说它是它的一个推论
因为如果它的极限值小于0
根据这个定理你就知道
从某一项开始它的通项都应该是小于0的
这个就与什么它每一项都非负矛盾
但是就是这个地方大家要注意
也就是说an大于等于0
我只能推出这个极限也是大于等于0
即使这个地方是an大于0
我也推不出这个极限是大于0的
也就是说通项大于0
它的极限是可以等于0的
这个例子大家看一下我们很熟悉的这个{n分之一}
n分之一对n来说它都是大于0的
但它的极限是等0的
我想这是我们要介绍的三条
关于数列极限的定性性质
就是极限的唯一性
收敛数列的有界性
以及极限的保号性质
下面我们来介绍我们数列极限的运算性质
实际上也就是数列极限的四则运算
我们给一个结论
这个结论是说
如果我们数列{an}的极限是A
数列{bn}的极限是B
我们的结论是
则第一个这两个数列加起来
就是{an加bn}它的极限也是存在的
它的极限就是A加上B
然后这个数列an与bn乘起来极限也是存在的
就是A乘上B
第三个就是说n趋向于无穷时
这个an除上bn在极限B不等于0的前提下
这个极限也是存在的就等于A除上B
这是我们要介绍的数列极限的四则运算性质
这性质就是说我们先来解释一下
一方面就是说
这个条件是说an和bn的极限都存在
我们才能保证它的和数列的极限存在
乘积数列极限的存在
商数列的极限存在
而它的结果我们也可以看成是
第一个和数列的极限这个结论也可以看成是
数列的加法运算与这个极限运算
形式上看好像是有分配律
因为这个东西我们完全可以写成是
limn趋向于无穷an加上lim趋向于无穷bn
当然它等于它
所以说形式上看应该就是分配律
类似的我们自然也可以写成是
an的极限再乘上bn的极限
所以它也是极限运算与乘法运算的分配律
同样最后一个也可以理解成是
极限运算与数列商的运算的分配律
刚才说了这个条件是B不等于0
这是希望大家注意的一个条件
另外大家在用四则运算法则的时候
请大家注意这个运算法则
只对有限个数列的加减乘除有用
如果说我把这个数列的个数写成无穷多个行不行
这个是不可以的
那我在这个地方给大家写两个例子
一个例子就是说这个东西
k从1到n n的平方分之k
这是一个数列
这个数列你当然可以看成是n个数列加起来
而每一个数列大家都很清楚
什么n的平方分之一n的平方分之二
一直到n的平方分之n
这个数列它本身的通项我们可以写出来的
应该就是二分之一倍的n方分之n乘上(n+1)
而这个极限我们就是可以求出来
这个极限是等于1/2的
也就是说它会趋向于1/2
但是如果大家说你不就是n个数列加起来吗
我能不能把每个数列的极限求完了以后再加起来
如果把每个数列的极限求完之后再加起来
它就不会是二分之一了
它应该就是说无穷多个0加起来了
无穷多个0加起来
在后面我们介绍级数的时候我们知道
当然还是第一个0加第二个0加第三个0
这样一直加下去看看它等什么
由于你无论是加多少它还是等0的
所以说呢这个的意思就是说什么呢
我们只能把它的通项求出来去做极限
而不能把每一项的极限求完了再做加法
这是求和
再譬如说我们这个极限
这个极限就是说
limn趋向于无穷1加上n分之一的n次方
这当然可以看成是n个数列的乘积
每个数列都是一样的1加上n分之一
1加上n分之一的极限大家很清楚应该是1
如果我们给它求完极限之后再加起来
就是说都是1相乘
1相乘当然我们正常理解应该还是1
但是这是我们微积分后面要介绍的一个重要极限
这个重要极限实际上它不是等1234的1
它实际上是无理数e
这是这个东西
这个就是说清楚了什么呢
无穷多个数列乘起来你求极限的时候
也不能先把每个数列的极限求完了再做乘法
我想呢
这是关于这个四则运算需要跟大家强调的两点
要注意我们的条件是什么
同时要注意它的适用范围是只对有限项对
那接下来我们做一个简短的证明
我们就证一下这个乘积的
因为这个加法的很简单
大家作为练习可以给出证明
我们就证一下乘积的和证一下商的
乘积的是这样子的
我们就证明这个乘法运算
乘法运算是这样子
我们的条件大家一定要清楚
所以说我们要证的问题就是
an乘上bn减掉AB绝对值是不是可以充分小
而我们知道的是谁呢
知道的是an减A绝对值可以充分小
bn减B绝对值也可以充分小
我们为了把它们联系起来呢
就这样来做一个变形
an乘上bn减掉A乘上bn再加上A乘bn减掉AB的绝对值
这样给它减一项加一项它应该是不变的
那接下来我们利用三角恒等式呢
可以把这个等号直接写成小于等于号
这个地方写成是两个绝对值之和
然后接下来我们再做个简单整理
这个应该就等于
bn的绝对值乘上an减掉A的绝对值
再加上A的绝对值乘上bn减掉B的绝对值
到了这一步之后我们来分析下
这个是可以充分小的
这个也是可以充分小的
后面这一项因为它前面乘的是常数
所以说任意小是没关系的
前面这个乘了一个|bn|
但是我们前面介绍过
{bn}如果收敛的时候{bn}应该是有界的
所以前面这个东西也可以放大的
分析到这我们就知道这个证明应该怎么写了
我们应该这样写就是
任给ε大于0
因为咱们的条件就是说写出来
所以我就存在一个M>0
还存在一个N>0
当n>N时我就把这个照抄
这个减掉这个应该小于等于这两个绝对值之和
当然这两个绝对值之和就是说写到这之后
我就直接给它放大到就是这个样子
这个就给它放大到M
这个给它放大到ε
这个就是|A|这个放大到ε
所以这个就等于M加上A的绝对值再乘上ε
也就是说只要我们的n大于N
那么这个差的绝对值就小于这个数
ε是可以任意小的
前面乘的是个常数
所以说它也可以是任意小的
这样我们就证明了
这个乘积的极限应该等于它们极限的乘积
这是这一个
接下来关于商的证明
商的证明因为我们已经有了乘法运算
所以说你只要证明一个倒数运算就行了
也就是说只要在{bn}的极限是B
B不等于0的前提下
你只要证明{bn分之一}的极限是B分之一就可以了
那我们简单分析一下
也就是这个证明
这个证明也就是要证明这个绝对值是可以任意小的
那这一个也就写成了bn绝对值乘上B的绝对值
再一个是上面bn减掉B的绝对值
就到了这一步
接下来我们该怎么处理这个分母
根据我们前面介绍的保号性质
我们知道{bn绝对值}的极限是B的绝对值
在给定条件下B的绝对值是大于0的
所以说只要n足够大
bn的绝对值应该是大于二分之一倍的bn的绝对值
这样子的时候也就是说我可以把分母变小
变成什么呢
二分之一倍的B的绝对值
原来是个B的绝对值
这样就是上面呢就是bn减掉B
我想分析到这个地步呢
基本上这个证明就出来了
所以如果我们写证明该怎么写呢
我们是不可以这样写
就是任给ε大于0
因为{bn}的极限是B
{bn绝对值}的极限是B的绝对值且大于0
所以我们能找到一个N
当n大于N时bn减掉B的绝对值是小于ε的
同时bn的绝对值是大于二分之一倍的B的绝对值的
那这样到了这一步
最后就可以写出这个实际就是
B方分之二倍的ε
那ε是可以任意小的
B方分之二是个常数
所以它当然是可以任意小的
这样我们就证明了这个倒数运算也是对的
那么有了乘积和倒数之后商的运算自然也是对的
关于就是说极限的四则运算
应该是我们在极限运算里面最常用的一个运算法则
我们尽管只给出了加法乘法和商
大家说有了乘法之后数乘运算就有了
也就是说我k乘上an的极限应该是k乘上an的极限
就是说这个等式是对的
k乘上an求极限应该等于k倍的an的极限
这肯定是对的
另外有了加法有了数乘之后
an减bn的极限应该等于an的极限减bn
它的极限我们也就得到了
所以说讲四则运算不见得一定要把加减乘除都讲到
只要就是说你把最基本的讲清楚了
所有的我们就可以了
-序言
--序言
-第一节 实数集的界与确界
--实数集的界
--实数集的确界
-第一节思考与练习
--思考题
--练习题
-第二节 函数的概念
--分段函数与隐函数
-第二节思考与练习
--思考题
--练习题
-第三节 函数的运算
--函数的反函数
-第三节思考与练习
--思考题
--练习题
-第四节 函数的初等性质
--函数的凸性
-第四节思考与练习
--思考题
--练习题
-第五节 初等函数
--初等函数
-第五节思考与练习
--思考题
--练习题
-第六节 极坐标方程与参数方程表示的几种曲线
-第一节 数列极限的概念与性质
--无穷大量
-第一节思考与练习
--思考题
--第二章 极限论--第一节思考与练习
-第二节 数列极限存在的充分条件
--单调有界收敛定理
-第二节思考与练习
--思考题
--第二章 极限论--第二节思考与练习
-第三节 Bolzano定理与Cauchy收敛准则
-第三节思考与练习
--思考题
--第二章 极限论--第三节思考与练习
-第四节 函数极限的概念与性质
--函数极限的概念
--函数极限的性质
-第四节思考与练习
--思考题
--第二章 极限论--第四节思考与练习
-第五节 函数极限的运算
-第五节思考与练习
--思考题
--第二章 极限论--第五节思考与练习
-第六节 无穷小量及其(阶的)比较
--无穷小量的比较
-第六节思考与练习
--思考题
--第二章 极限论--第六节思考与练习
-第一节 连续函数的概念与性质
--间断点的分类
--连续函数的性质
-第一节 思考与练习
--思考题
--第三章 连续函数--第一节 思考与练习
-第二节 闭区间上连续函数的性质
-第二节 思考与练习
--思考题
--第三章 连续函数--第二节 思考与练习
-第三节 函数的一致连续性
--一致连续的概念
-第三节 思考与练习
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--第三章 连续函数--第三节 思考与练习
-第一节 导数与微分的概念
--导数的概念
--导数的几何意义
--微分概念
-第一节 思考与练习
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--第四章 导数与微分--第一节 思考与练习
-第二节 导数与微分的运算
--导数的四则运算
--反函数求导法
-第二节 思考与练习
--思考题
--第四章 导数与微分--第二节 思考与练习
-第三节 几种特殊函数的求导法、高阶导数
--高阶导数
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--第四章 导数与微分--第三节 思考与练习
-第一节 微分中值定理
--Fermat定理
--Rolle定理
-第一节 思考与练习
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--第五章 导数应用--第一节 思考与练习
-第二节 L'Hospital 法则
--0/0型不定式
--∞/∞型不定式
--其他形式的不定式
-第二节 思考与练习
--思考题
--第五章 导数应用--第二节 思考与练习
-第三节 函数的单调性与极值
--函数的单调性
--函数的极值
--函数最值的求法
-第三节 思考与练习
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--第五章 导数应用--第三节 思考与练习
-第四节 函数的凸性与拐点
--函数凸性的判别法
--拐点
--曲线的渐近性
-第四节 思考与练习
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--第五章 导数应用--第四节 思考与练习
-第五节 Taylor 公式
-第五节 思考与练习
--思考题
--第五章 导数应用--第五节 思考与练习
-第一节 概念与性质
--原函数的概念
--6-1视频纠正
-第一节思考与练习
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--第六章 原函数与不定积分--第一节思考与练习
-第二节 换元积分法
--第一换元法
--第二换元法
-第二节思考与练习
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--第六章 原函数与不定积分--第二节思考与练习
-第三节 分部积分法
--分步积分法
-第四节 有理函数的积分
--html
--第六章 原函数与不定积分--第四节思考与练习
-第五节 简单无理式的积分
--无理函数的有理化
--第六章 原函数与不定积分--第五节思考与练习
-第一节 积分概念与积分存在条件
--定积分的概念
-- 函数的可积性
--第七章 定积分--第一节思考与练习
-第二节 定积分的性质
--定积分的性质
--定积分性质的应用
-第三节 变上限积分与Newton—Leibniz公式
--变上限积分
--复合变限积分
--定积分的计算
--第七章 定积分--第三节思考与练习
-第四节 定积分的换元积分法与分部积分法
--第七章 定积分--第四节思考与练习
-第五节 定积分的几何应用
--平面区域的面积
--曲线的弧长
--平面曲线的曲率
--第七章 定积分--第五节思考与练习
-第六节 定积分的物理应用
--物理应用简介
-第七节 反常积分
--反常积分
--其他无穷积分
--第七章 定积分--第七节思考与练习
-第一节 数项级数的概念与性质
--第八章 级数--第一节 思考与练习
-第二节 正项级数的收敛判别法
--第八章 级数--第二节 思考与练习
-第三节 任意项级数
--交错项级数
--绝对值判敛法
--第八章 级数--第三节 思考与练习
-第四节 函数级数
--第八章 级数--第四节 思考与练习
-第五节 幂级数
--Abel判别法
--收敛半径与收敛域
--幂级数的分析性质
--幂级数求和
--第八章 级数--第五节思考与练习
-第六节 傅里叶级数
--三角函数的正交性
--第八章 级数--第六节思考与练习