当前课程知识点:微积分I > 第二章 极限与连续 > 2.1 数列的极限 > 2.1.2 数列极限的分析定义
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
-1.1 预备知识
--1.1.2本节作业
-1.2 函数的概念
--1.2.2 本节作业
-1.3 函数的基本特性
--1.3.2 本节作业
-1.4 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
--1.5.2 本节作业
-1.6 经济学中几个常见的函数
--1.6.2 本节作业
-第一章单元练习
--习题训练
-2.1 数列的极限
--2.1.3 本节作业
-2.2 函数的极限
--课堂思考
--2.2.4 本节作业
-2.3 无穷小量与无穷大量
--课堂思考
--2.3.4 本节作业
-2.4 极限的性质
--课堂思考
--2.4.4 本节作业
-2.5 两个重要极限
--课堂思考(一)
--课堂思考(二)
--2.5.9 本节作业
-2.6 函数的连续性
--课堂思考
--2.6.6 本节作业
-第二章单元练习
--习题训练
-3.1 导数的概念
--课堂思考(一)
--课堂思考(二)
--3.1.7 本节作业
-3.2 求导法则
--课堂思考(一)
--课堂思考(二)
--课堂思考(三)
--3.2.8 本节作业
-3.3 高阶导数
--3.3.3 本节作业
-3.4 函数的微分
--课堂思考(一)
--课堂思考(二)
--3.4.8本节作业
-3.5 导数与微分的简单应用
--3.5.4本节作业
-第三章单元练习
--习题训练
-4.1 中值定理
--课堂思考(一)
--课堂思考(二)
--4.1.7 本节作业
-4.2 洛必达法则
--课堂思考
--4.2.4 本节作业
-4.3 函数的单调性与极值
--课堂思考(一)
--课堂思考(二)
--4.3.5 本节作业
-4.4 函数的最值及应用
--4.4.3 本节作业
-4.5 函数曲线的凹凸性与拐点
--课堂思考
--4.5.4 本节作业
-4.6 函数的微分法作图
--课堂思考
--4.6.5 本节作业
-第四章单元练习
--习题训练
-5.1 不定积分的概念与性质
--5.1.4 本节作业
-5.2 换元积分法
--课堂思考(一)
--课堂思考(二)
--5.2.5 本节作业
-5.3 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
--5.4.3 本节作业
-第五章单元练习
--习题训练

