【数学分析笔记】第2章第4节收敛准则(1)

2. 数列极限

2.4 收敛准则

收敛数列一定有界,有界数列不一定收敛。

问题:

(1)有界数列加什么条件可以保证收敛?

(2)有界数列不加其他条件,可得到什么弱一些的结论?

2.4.1 单调有界定理

【定理2.4.1】单调有界数列必定收敛。(单调增加有上界或单调减少有下界)

【证】不妨设 { x n } \{x_{n}\} {xn}单调增加,有上界。

以 { x n } \{x_{n}\} {xn}为集合的数集(有重复的只能算一个元素)有上界,则必有上确界(确界存在定理)

记上确界为 β \beta β。

(1) β \beta β是上界, ∀ n , x n ≤ β \forall n, x_{n}\le \beta ∀n,xn≤β;

(2) β \beta β是最小上界 : ∀ ε > 0 , β − ε :\forall \varepsilon >0,\beta - \varepsilon :∀ε>0,β−ε不是上界,即 ∃ n 0 \exists n_{0} ∃n0使得 x n 0 > β − ε x_{n_{0}}>\beta - \varepsilon xn0>β−ε

取 N = n 0 , ∀ n > N : x N = x n 0 ≤ x n N=n_{0}, \forall n > N:x_{N}=x_{n_{0}}\le x_{n} N=n0,∀n>N:xN=xn0≤xn(数列单调增加)

又 β − ε < x n 0 ≤ x n ≤ β \beta - \varepsilon<x_{n_{0}}\le x_{n}\le \beta β−ε<xn0≤xn≤β

即 β − ε < x n ≤ β < β + ε \beta - \varepsilon< x_{n}\le \beta<\beta + \varepsilon β−ε<xn≤β<β+ε

亦即 ∣ x n − β ∣ < ε |x_{n}-\beta|<\varepsilon ∣xn−β∣<ε

所以 lim ⁡ n → ∞ x n = β \lim\limits_{n\to\infty}x_{n}=\beta n→∞limxn=β

【注】定理的意义 lim ⁡ n → ∞ x n = a \lim\limits_{n\to\infty}x_{n}=a n→∞limxn=a, ∀ ε > 0 , ∃ N , ∀ n > N : ∣ x n − a ∣ < ε \forall \varepsilon>0,\exists N,\forall n>N:|x_{n}-a|<\varepsilon ∀ε>0,∃N,∀n>N:∣xn−a∣<ε,有时候 a a a不知道,没法求解,用单调有界定理很有用,能间接求出 a a a

【例2.4.1】设 x 1 > 0 x_{1}>0 x1>0, x n + 1 = 1 + x n 1 + x n , n = 2 , 3 , . . . x_{n+1}=1+\frac{x_{n}}{1+x_{n}},n=2,3,... xn+1=1+1+xnxn,n=2,3,...,要求证明 { x n } \{x_{n}\} {xn}收敛,并求 lim ⁡ n → ∞ x n \lim\limits_{n\to\infty}x_{n} n→∞limxn。

【解】 x 1 > 0 , x 2 = 1 + x 1 1 + x 1 > 0 x_{1}>0,x_{2}=1+\frac{x_{1}}{1+x_{1}}>0 x1>0,x2=1+1+x1x1>0

假设 x k > 0 x_{k}>0 xk>0则 x k + 1 = 1 + x k 1 + x k > 0 x_{k+1}=1+\frac{x_{k}}{1+x_{k}}>0 xk+1=1+1+xkxk>0

由数学归纳法可知, x n > 0 x_{n}>0 xn>0

所以 1 < x n = 1 + x n − 1 1 + x n − 1 < 1 + x n x n = 2 , n = 2 , 3 , . . . 1<x_{n}=1+\frac{x_{n-1}}{1+x_{n-1}}<1+\frac{x_{n}}{x_{n}}=2,n=2,3,... 1<xn=1+1+xn−1xn−1<1+xnxn=2,n=2,3,...

即 { x n } \{x_{n}\} {xn}有界
x n + 1 − x n = 1 + x n 1 + x n − ( 1 + x n − 1 1 + x n − 1 ) = x n + x n x n − 1 − x n − 1 − x n x n − 1 ( 1 + x n ) ( 1 + x n − 1 ) = x n − x n − 1 ( 1 + x n ) ( 1 + x n − 1 ) x_{n+1}-x_{n}=1+\frac{x_{n}}{1+x_{n}}-(1+\frac{x_{n-1}}{1+x_{n-1}})=\frac{x_{n}+x_{n}x_{n-1}-x_{n-1}-x_{n}x_{n-1}}{(1+x_{n})(1+x_{n-1})}=\frac{x_{n}-x_{n-1}}{(1+x_{n})(1+x_{n-1})} xn+1−xn=1+1+xnxn−(1+1+xn−1xn−1)=(1+xn)(1+xn−1)xn+xnxn−1−xn−1−xnxn−1=(1+xn)(1+xn−1)xn−xn−1

所以 x n + 1 − x n x_{n+1}-x_{n} xn+1−xn与 x n − x n − 1 x_{n}-x_{n-1} xn−xn−1同号

若 x 1 < x 2 x_{1}<x_{2} x1<x2,则 x 2 < x 3 , . . . , x n − 1 < x n x_{2}<x_{3},...,x_{n-1}<x_{n} x2<x3,...,xn−1<xn,若 x 1 > x 2 x_{1}>x_{2} x1>x2,则 x 2 > x 3 , . . . , x n − 1 > x n x_{2}>x_{3},...,x_{n-1}>x_{n} x2>x3,...,xn−1>xn,虽然我们无法判断这个数列到底是单调增加还是单调减少,但是我们可以判断这个数列是单调数列。

由于该数列单调且有界,则 { x n } \{x_{n}\} {xn}收敛。

设 lim ⁡ n → ∞ x n = a \lim\limits_{n\to\infty}x_{n}=a n→∞limxn=a,由 x n + 1 = 1 + x n 1 + x n x_{n+1}=1+\frac{x_{n}}{1+x_{n}} xn+1=1+1+xnxn,对等式两边同时取极限得 a = 1 + a 1 + a a=1+\frac{a}{1+a} a=1+1+aa,即 a + a 2 = 1 + 2 a a+a^{2}=1+2a a+a2=1+2a,亦即 a 2 = 1 + a a^{2}=1+a a2=1+a,所以 a 2 − a − 1 = 0 a^{2}-a-1=0 a2−a−1=0,由于 1 < x n < 2 1<x_{n}<2 1<xn<2,所以 a = 1 + 1 + 4 2 = 1 + 5 2 a=\frac{1+\sqrt{1+4}}{2}=\frac{1+\sqrt{5}}{2} a=21+1+4 =21+5

即 lim ⁡ n → ∞ x n = 1 + 5 2 \lim\limits_{n\to\infty}x_{n}=\frac{1+\sqrt{5}}{2} n→∞limxn=21+5

【例2.4.2】设 0 < x 1 < 1 , x n + 1 = x n ( 1 − x n ) 0<x_{1}<1,x_{n+1}=x_{n}(1-x_{n}) 0<x1<1,xn+1=xn(1−xn),证明 { x n } \{x_{n}\} {xn}收敛,并求极限。

【解】由于 0 < x 1 < 1 , 0 < x 2 = x 1 ( 1 − x 1 ) < 1 0<x_{1}<1,0<x_{2}=x_{1}(1-x_{1})<1 0<x1<1,0<x2=x1(1−x1)<1,假设 0 < x k < 1 0<x_{k}<1 0<xk<1,则 0 < x k + 1 = x k ( 1 − x k ) < 1 0<x_{k+1}=x_{k}(1-x_{k})<1 0<xk+1=xk(1−xk)<1,由数学归纳法知 0 < x n < 1 0<x_{n}<1 0<xn<1,所以 { x n } \{x_{n}\} {xn}有界。
x n + 1 − x n = x n ( 1 − x n ) − x n = − x n 2 < 0 x_{n+1}-x_{n}=x_{n}(1-x_{n})-x_{n}=-x_{n}^{2}<0 xn+1−xn=xn(1−xn)−xn=−xn2<0

所以 x n + 1 < x n x_{n+1}<x_{n} xn+1<xn,所以 { x n } \{x_{n}\} {xn}是严格单调减少数列。

由于 { x n } \{x_{n}\} {xn}单调减少有下界 0 0 0,所以 { x n } \{x_{n}\} {xn}收敛,设 lim ⁡ n → ∞ x n = a \lim\limits_{n\to\infty}x_{n}=a n→∞limxn=a,由 x n + 1 = x n ( 1 − x n ) x_{n+1}=x_{n}(1-x_{n}) xn+1=xn(1−xn),等式两边同时取极限得 a = a ( 1 − a ) a=a(1-a) a=a(1−a),由于 { x n } \{x_{n}\} {xn}单调减少有下界 0 0 0,所以 a = 0 a=0 a=0,即 lim ⁡ n → ∞ x n = 0 \lim\limits_{n\to\infty}x_{n}=0 n→∞limxn=0

【计算这个 x n x_{n} xn和哪种无穷小量差不多(如 1 n \frac{1}{n} n1)】
lim ⁡ n → ∞ ( n x n ) = lim ⁡ n → ∞ n 1 x n \lim\limits_{n\to\infty}(nx_{n})=\lim\limits_{n\to\infty}\frac{n}{\frac{1}{x_{n}}} n→∞lim(nxn)=n→∞limxn1n

由于 1 x n \frac{1}{x_{n}} xn1严格单调增加且 lim ⁡ n → ∞ 1 x n = + ∞ \lim\limits_{n\to\infty}\frac{1}{x_{n}}=+\infty n→∞limxn1=+∞,可以用Stolz定理,所以 lim ⁡ n → ∞ n − ( n − 1 ) 1 x n − 1 x n − 1 = lim ⁡ n → ∞ 1 x n − 1 − x n x n x n − 1 = lim ⁡ n → ∞ x n x n − 1 x n − 1 − x n = lim ⁡ n → ∞ x n − 1 2 ( 1 − x n − 1 ) x n − 1 − x n − 1 ( 1 − x n − 1 ) = lim ⁡ n → ∞ x n − 1 2 ( 1 − x n − 1 ) x n − 1 2 = lim ⁡ n → ∞ ( 1 − x n − 1 ) = 1 \lim\limits_{n\to\infty}\frac{n-(n-1)}{\frac{1}{x_{n}}-\frac{1}{x_{n-1}}}=\lim\limits_{n\to\infty}\frac{1}{\frac{x_{n-1}-x_{n}}{x_{n}x_{n-1}}}=\lim\limits_{n\to\infty}\frac{x_{n}x_{n-1}}{x_{n-1}-x_{n}}=\lim\limits_{n\to\infty}\frac{x_{n-1}^{2}(1-x_{n-1})}{x_{n-1}-x_{n-1}(1-x_{n-1})}=\lim\limits_{n\to\infty}\frac{x_{n-1}^{2}(1-x_{n-1})}{x_{n-1}^{2}}=\lim\limits_{n\to\infty}(1-x_{n-1})=1 n→∞limxn1−xn−11n−(n−1)=n→∞limxnxn−1xn−1−xn1=n→∞limxn−1−xnxnxn−1=n→∞limxn−1−xn−1(1−xn−1)xn−12(1−xn−1)=n→∞limxn−12xn−12(1−xn−1)=n→∞lim(1−xn−1)=1

说明 lim ⁡ n → ∞ x n 1 n = 1 \lim\limits_{n\to\infty}\frac{x_{n}}{\frac{1}{n}}=1 n→∞limn1xn=1,即说明 { x n } \{x_{n}\} {xn}和 { 1 n } \{\frac{1}{n}\} {n1}是一种等价的关系,这个等价的关系是通过Stolz定理求出来的,以后会讲到。

相关推荐
Li_RuiQi3 小时前
DAgger方法演进_独立学习笔记
笔记·学习·计算机视觉
Li_RuiQi8 小时前
DAgger与交互式模仿学习_ACT学习笔记
笔记·学习
He BianGu8 小时前
【笔记】C# 中BindingFlags的详细作用
笔记·c#
AI视觉网奇8 小时前
turtle 入门教程笔记
笔记
跨知易知识产权9 小时前
美国专利确权是什么,和专利诉讼有什么不一样?
笔记
杨逢昌工厂6S管理9 小时前
126-杨逢昌6S三环体系:越做越乱的现场熵增机理与基准化治理——一线现场诊断笔记
经验分享·笔记·职场和发展·学习方法
悟道书生9 小时前
若依 RBAC 权限控制学习笔记
java·网络·笔记·sql·学习·vue
陈哈哈111110 小时前
折腾了半天,总算把 Vim 9.2 装明白了
笔记
陈哈哈111110 小时前
折腾了半天,总算把 OpenGL 的开发环境给装明白了
笔记
深圳老胡10 小时前
STM32F103 硬件 SPI 与软件 IO 模拟 SPI 最高速度差异详解
笔记·stm32·单片机·代码规范·1024程序员节