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2.1.2 数列极限的分析定义在线视频

下一节:2.2.1 函数在无穷远处的极限定义

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2.1.2 数列极限的分析定义课程教案、知识点、字幕

同学们

上次我们学习了数列极限的描述性定义

微积分发展初期

人们往往从实际出发考虑问题

不太注重

基础理论

随着研究的深入和应用的广泛

出现了越来越多的含混和悖论

使得数学的发展又一次遇到令人不安的危机

产生这种危机的根本原因是极限理论问题

于是科学家们在完成了微积分基本理论之后

又回过头来重新构建

微积分基础

通过一大批优秀科学家近一个世纪的努力

终于建立了微积分严谨的基础

其核心

就是今天的极限理论

在极限理论的发展过程中

我们发现数列极限的描述性定义

存在两个问题

1、什么叫做

xₙ 无限接近一个常数a

xₙ无限接近于一个常数a或xₙ→a都是定性的描述

而非定量的和客观的表达

因为它依赖于考察者的主观判断

2、什么叫做n无限增大

n ≥ 10000 , n≥ 10 ¹⁰⁰

可否称为

n无限增大

如果不能

n变化到什么样的值

才能称为n无限增大

为了克服这两个模糊混沌的问题

获得精确的极限定义

我们需要做以下工作

1、 对xₙ → a 的意义的定量表达

这一问题看似简单

但却是一个相当困难的问题

它曾困扰了许多数学家

最后才由法国大数学家柯西

部分的解决了

这一问题的解决过程

可分解为两个步骤

第一步

如何定量表示xₙ与a的接近程度

从几何上看

xₙ与a均对应于数轴上的点

要表示两点

xₙ与a的接近程度

可通过二者之间的距离大小来表示

即通过|xₙ -a |的大小来表示

因此

xₙ→ a的意义就是| xₙ - a |可任意地小

第二步

如何表示| xₙ - a | 可任意地小

xₙ 与a 的接近程度

可用不等式 | xₙ - a | < l 来表示

l 很小

可表示xₙ 与a 很接近

然而任何确定的很小的数 l 均不能表示

|xₙ - a |可任意的小

由于可任意小的具体数

是不存在的

因此只有人为的建立这样一种数的概念

数学家柯西

设想出了这样一种数 并用 ε 表示

ε 表示可任意赋值的数

而一但赋予 ε 为某具体值

它就是通常的实数

于是 |xₙ - a|可任意地小

可以表示为

对预先给定的可任意小的正数 ε

有|xₙ - a|< ε

2、xₙ → a 过程的定量表达

柯西给出的表示法

不能完全表示极限 xₙ → a

因为| xₙ- a |< ε

只是表示了xₙ 与a 可任意接近的状态

但还不足以表达xₙ→ a 的过程

这一过程显然和xₙ 的下标n 的变化有关

xₙ→a的过程是在 n→∞的过程中

逐步实现的

即| xₙ - a |< ε 并非是数列变化的初始状态

而是当n增大到一定程度时才发生

为定量表达n 变化的这一程度

可用一个正数N来刻划

即存在某正数N

使得当 n > N 时有 | xₙ - a |< ε

另一方面表示n增大程度的具体值

N又和预先给定的 ε 的大小有关

一般而言

若ε取值较大

xₙ 的下标不需要变化到很大

就可以有|xₙ-a|< ε成立

相应N就较小

而若 ε 取值较小

则xₙ的下标需要变化到足够大

才可有|xₙ-a|< ε成立

于是N就较大

综合考察N 对ε有某种依赖关系

即N =N(ε)

为说明xₙ→a这一事实

N 对ε的依赖关系

N=N(ε)的具体形式并不重要

重要的是

|xₙ-a|< ε 总能发生或者成立

即对xₙ的下标n变化而言

重要的是这样的N=N(ε)的存在性

克服了以上两个问题后

我们就有了如下数列极限的分析性定义

也就是它的精确定义

设有数列x₁ ,x₂,...., xₙ

如果存在常数a

使得对任意给定的正数ε

无论它多小

总存在正整数N

只要n>N对应的xₙ就都满足不等式 ︱xₙ - a︱< ε

那么常数a 是数列xₙ 的极限

或称数列xₙ收敛于a

记作lim n→∞ xₙ=a

如果这样的常数不存在

就是说xₙ 没有极限

或称数列xₙ是发散的

这个定义也叫做 ε-N定义

下面通过一个例子说明

对该定义的使用

例 用定义证明lim n→∞ √(n²+n)/n=1

分析由数列极限的ε– N定义可知

在n→∞时xₙ→a 就是对任意给定的正数ε

一定存在这样的正数N

使得当n>N时

不等式|xₙ-a|<ε 能成立

也要说明这样的N存在

就必须将相应的N找出来

而找N的出发点

就是所证关系式 |xₙ-a|<ε

因此用用ε – N定义

证明数列极限为某定值的本质

就是对给定的ε>0

从不等式|xₙ-a|<ε

出发去找出N的过程

因此证明如下

从不等式|xₙ-a|<ε 出发

找N对任意小的ε

要找出这样的N

使得当n>N 时有|xₙ-a|<ε

由于直接从上式确定 N存在困难

考虑先对不等式作适当变形和化简

|xₙ-a|=|√(n²+n)/n-1|=|(√(n²+n)-n)/n|

即等于|1/( √(n²+n)+n)|<1/n

故要使|√(n²+n)/n-1|<ε

只需1/n<ε

即n>1/ε

为此取N=[1/ε]+1

于是当n>N时有

|√(n² +n)/n-1|=|1/(√(n²+n)+n)|<1/n<1/N<ε

由极限定义可知

√(n² +n)/n 在n→∞时极限为1

利用定义证明数列极限为某值

只是给出了一种验证数列极限的方法

并不能提供求数列极限的方法

数列极限的求法将在以后讨论

下面仅将验证数列极限为某值的

一般步骤作一归纳

1、将|xₙ-a|<ε化简或放大成|xₙ-a|<φ (n)

2 、对∀ε>0

要使得|xₙ-a|<ε

只需要φ( n ) <ε

由此可解出

n>φ( ε )

3、 取 N =φ(ε)

4 、验证当n>N时 有|xₙ-a|<ε

下面我们总结一下

同学们

本讲我们重点

介绍了数列极限的分析定义

及利用该定义证明极限的存在性

下次将介绍函数的极限

好 同学们

此次内容到此为止

谢谢大家

微积分I课程列表:

导言 课程介绍

-微积分简要介绍

第一章 函数

-1.1 预备知识

--1.1.1 实数简介

--1.1.2本节作业

-1.2 函数的概念

--1.2.1 函数的概念

--1.2.2 本节作业

-1.3 函数的基本特性

--1.3.1 函数的几个特性

--1.3.2 本节作业

-1.4 反函数与复合函数

--1.4.1 反函数与复合函数

--1.4.2 本节作业

-1.5 基本初等函数与初等函数

--1.5.1 基本初等函数与初等函数

--1.5.2 本节作业

-1.6 经济学中几个常见的函数

--1.6.1 经济学中常见的几个函数

--1.6.2 本节作业

-第一章单元练习

--习题训练

--数学实验一 函数图形

第二章 极限与连续

-2.1 数列的极限

--2.1.1 数列极限的描述性定义

--2.1.2 数列极限的分析定义

--2.1.3 本节作业

-2.2 函数的极限

--2.2.1 函数在无穷远处的极限定义

--2.2.2 函数在一点处的极限定义

--课堂思考

--2.2.3 函数在一点处的单侧极限定义

--2.2.4 本节作业

-2.3 无穷小量与无穷大量

--2.3.1 无穷小量的定义及其性质

--2.3.2 无穷小量阶的比较

--课堂思考

--2.3.3 无穷大量的定义

--2.3.4 本节作业

-2.4 极限的性质

--2.4.1 极限的几个性质

--2.4.2 极限的四则运算法则

--课堂思考

--2.4.3 极限的四则运算法则的应用

--2.4.4 本节作业

-2.5 两个重要极限

--2.5.1 极限存在的两个准则(单调有界及两边夹)

--2.5.2 第一重要极限

--2.5.3 第一重要极限应用

--课堂思考(一)

--2.5.4 第二重要极限

--2.5.5 第二重要极限应用

--2.5.6 连续复利模型介绍

--课堂思考(二)

--2.5.7 常见等价无穷小量

--2.5.8 等价无穷小量的代换求极限

--2.5.9 本节作业

-2.6 函数的连续性

--2.6.1 函数连续的定义

--2.6.2 第一类间断点

--2.6.3 第二类间断点

--课堂思考

--2.6.4 连续函数的四则运算与复合运算性质及应用

--2.6.5 最值定理及介值定理

--2.6.6 本节作业

-第二章单元练习

--习题训练

--数学实验二 求极限

第三章 导数与微分

-3.1 导数的概念

--3.1.1 导数定义的引例

--3.1.2 导数的定义

--3.1.3 导数的几何意义

--课堂思考(一)

--3.1.4 可导与连续的关系

--3.1.5 利用定义求函数的导数

--3.1.6 分段函数的导数

--课堂思考(二)

--3.1.7 本节作业

-3.2 求导法则

--3.2.1 导数的四则运算(1)

--3.2.2 导数的四则运算(2)

--课堂思考(一)

--3.2.3 反函数的导数

--3.2.4 复合函数的求导法则

--3.2.5 复合函数的求导示例

--课堂思考(二)

--3.2.6 隐函数的导数

--3.2.7 对数求导法

--课堂思考(三)

--3.2.8 本节作业

-3.3 高阶导数

--3.3.1 高阶导数

--3.3.2 几个常见函数高阶导数

--3.3.3 本节作业

-3.4 函数的微分

--3.4.1 微分的定义

--3.4.2 微分与导数的关系

--3.4.3 微分的几何意义

--课堂思考(一)

--3.4.4 微分的四则运算

--3.4.5 微分的复合运算规则

--3.4.6 微分的复合运算规则的应用

--课堂思考(二)

--3.4.7 微分的应用近似计算

--3.4.8本节作业

-3.5 导数与微分的简单应用

--3.5.1 边际分析

--3.5.2 弹性分析

--3.5.3 经济学中常见的几个弹性

--3.5.4本节作业

-第三章单元练习

--习题训练

--数学实验三 求导数

第四章 中值定理与导数的应用

-4.1 中值定理

--4.1.1 费马引理

--4.1.2 罗尔中值定理

--4.1.3 罗尔中值定理的应用

--课堂思考(一)

--4.1.4 拉格朗日中值定理

--4.1.5 拉格朗日中值定理的应用

--4.1.6 柯西中值定理

--课堂思考(二)

--4.1.7 本节作业

-4.2 洛必达法则

--4.2.1 洛必达法则--0/0型

--4.2.2 洛必达法则--∞/∞型

--课堂思考

--4.2.3 洛必达法则--其他型

--4.2.4 本节作业

-4.3 函数的单调性与极值

--4.3.1 函数的单调性判定

--4.3.2 函数的单调性应用

--课堂思考(一)

--4.3.3 函数的极值--第一判定法

--4.3.4 函数的极值--第二判定法

--课堂思考(二)

--4.3.5 本节作业

-4.4 函数的最值及应用

--4.4.1 连续函数最值求法

--4.4.2 最值的应用

--4.4.3 本节作业

-4.5 函数曲线的凹凸性与拐点

--4.5.1 函数的曲线的凹凸性的定义

--4.5.2 函数的曲线的凹凸性的判定

--课堂思考

--4.5.3 拐点的定义及其求法

--4.5.4 本节作业

-4.6 函数的微分法作图

--4.6.1 函数曲线的水平渐近线

--4.6.2 函数曲线的竖直渐近线

--4.6.3 函数曲线的斜渐近线

--课堂思考

--4.6.4 微分法作图

--4.6.5 本节作业

-第四章单元练习

--习题训练

--数学实验四 求函数最值

第五章 不定积分

-5.1 不定积分的概念与性质

--5.1.1 原函数的概念

--5.1.2 不定积分的概念及性质

--5.1.3 基本初等函数的积分公式

--5.1.4 本节作业

-5.2 换元积分法

--5.2.1 第一换元积分法(一)

--5.2.2 第一换元积分法(二)

--课堂思考(一)

--5.2.3 第二换元积分法(一)

--5.2.4 第二换元积分法(二)

--课堂思考(二)

--5.2.5 本节作业

-5.3 分部积分法

--5.3.1 分部积分法

--课堂思考

--5.3.2 本节作业

-5.4 有理函数的积分

--5.4.1 真分式的分解

--5.4.2 最简分式的积分

--5.4.3 本节作业

-第五章单元练习

--习题训练

--数学实验五 求不定积分

拓展阅读

-1 函数建模应用

-2 极限建模应用

-3 导数建模应用

-4 函数极值建模应用

-5 不定积分建模应用

2.1.2 数列极限的分析定义笔记与讨论

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