数学分析 B1
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第一章 极限
1.1 实数
Type |
Inf |
Order |
Op |
Unit |
Memo |
正数 |
可数无限 |
序 |
加乘 |
|
|
整数 |
可数无限 |
序 |
加减乘 |
0,1 |
|
有理数 |
可数无限 |
有序域 |
加减乘除 |
0,1 |
不连续 |
实数 |
不可数无限 |
有序域 |
加减乘除 |
0,1 |
连续 |
1.1.1 自然数和整数
有限,可数无限,不可数无限
1.1.1.1 归纳公理
1∈Ss∈S⇒s+1∈S}⇒S=N∗
1.1.1.2 最小数原理
如果 T⊂N∗,则 minT 存在
Proof. 设 S={s∣s∈N,s≤t (∀t∈T)}
显然 1∈S⇒S=∅
∀t∈T,t+1∈S,∴S=N∗
∃s0∈S,s0+1∈S
要证 s0∈T,若 s0∈T⇒s0<t(∀t∈T)⇒s0+1≤t(∀t∈T)
因此 s0+1∈S,矛盾
所以 s0∈T 即 minT=s0
1.1.1.3 数学归纳法
- 命题 P 对 a 成立
- 若 P 对 n 成立,则对 n+1 成立
推出 P 对一切 n≥a 且 n∈N∗ 成立
Proof. 如果 P 对 t≥a 不成立,则 t−1,t−2,…,a 都不成立,矛盾
1.1.2 无限集合
1.1.2.1 一一对应
deff:A→B
- 若 a=b 则 f(a)=f(b), 则 f 是单射
- 若 ∀b∈B,∃a∈A 使得 f(a)=b,则 f 是满射
- 若 f 又单又满,则 f 称为一一映射
def 设 setA,B
- 如果 A→B 是一一对应,称 A,B 的基数相等
- 如果 A→B 是满射(非单射),称 A 的基数大于 B 的基数
- 如果 ∃n∈N 使得 A 与 {1,2,3,⋯,n} 一一对应,称 A 为有限集合;否则 A 为无限集合
- 称 A 的基数是可数的,当且仅当 A 与 N 存在一一对应
性质:Z,Q 都是可数的,而 2N 是不可数的
1.1.2.2 算术
证明 2 不是有理数
Proof. 设 a=qp=2
∴q2p2=2
⇒p 偶数 ⇒q 偶数
矛盾,所以 2∈Q
1.1.2.3 有理数的稠密性
神奇的事情:设 X={x∈Q∣x2<2或x<0},Y={y∈Q∣y2>2},则 maxX,minY 均不存在,但 X∩Y=Q
Proof. 对 a∈X 能找出一个 a′=a+a+22−a2>a,a′∈X;对 a∈Y 能找出一个 a′=a−a+2a2−2<a,a′∈Y。矛盾
∴X 在 Q 中没有最小上界,Y 在 Q 中没有最大下界
为了克服有理数的缺点,我们引入了无理数 R∖Q
Lesson 2 (9.15)
1.1.3 域
1.1.3.1 定义
设 S 是域
- 对加法封闭 ∀x,y∈S,x+y∈S
- 存在零元 有元素 0S∈S 使得 ∀x∈S,x+0S=x
- 加法交换律 ∀x,y∈S,x+y=y+x
- 存在负元 ∀x∈S 存在负元 −x∈S 使得 x+(−x)=0S
- 对乘法封闭∀x,y∈S,x⋅y∈S
- 存在单位元 有元素 1S∈S 使得 ∀x∈S,x⋅1S=x
- 乘法交换律 ∀x,y∈S,x⋅y=y⋅x
- 乘法结合律 ∀x,y∈S,(x⋅y)⋅z=x⋅(y⋅z)
- 乘法分配律 ∀x,y∈S,(x+y)⋅z=x⋅z+y⋅z
- 存在逆元 ∀x∈S 存在逆元 x−1∈S 使得 x⋅x−1=1S
1.1.3.2 有序域
序:∀x,y∈F,那么三种情况 x<y,x>y,x=y 有且仅有一种情况发生
有序域:
- x,y,z∈S,x<y⇒x+z<y+z
- x,y∈S,x>0,y>0⇒xy>0
反证 C 不可能是有序域:不论规定 i>0,i<0,i=0 中的哪一种,i2 均 ≥0,而 i2=−1<0,矛盾
1.1.4 界
1.1.4.1 有界定义
设 E⊂F。
若 ∃β∈F, 使得 ∀α∈E, 有 α≤β,则称 β 是 E 的上界
1.1.4.2 确界定义
设 E⊂F,E 有上界。
若在 F 中存在 E 的最小的上界,则称这个最小的上界为上确界 supE∈F。同理可定义下确界 infE∈F
1.1.4.3 确界原理
若 F 的任意子集 E 有上(下)界,那么 E 在 F 中有上(下)确界,此时称 F 满足确界原理
定理:若 F 满足上确界原理,那么 F 一定满足下确界原理
定理:存在满足上确界定理的有序域,且以 Q 为其子集,称为 R
1.1.5 实数的特点
- 与数轴上的点一一对应
- 不可数
1.1.6 有理数的稠密性
1.1.6.1 阿基米德原理
∀x,y∈R 若 x>0 则 ∃n∈N s.t. nx>y≥(n−1)x
设 E={nx∣n∈N}
反证:若不成立,则 y 是 E 的上界即 E 有上确界
记 α=supE∈R
α−x<α⇒α−x 不是 E 的上界
∃nx∈E 使得 α−x<nx
⇒α<(n+1)x∈E 矛盾
此时存在 nx>y,找到最小的 n,即所求
1.1.6.2 两个数之间有一个有理数
形式化的说,∀x,y∈R,x<y,∃z∈Q s.t. x<z<y
原因:
不妨假设 x<y,则存在足够大的整数 n 使得 n(y−x)>1,此时存在整数 m 使得
nx<m<nx+1<ny⇒x<nm<y
1.1.6.3 十进制小数
有限小数 a0+10a1+102a2+103a3+⋯+10nan(a1,a2,a3,⋯,an∈{0,1,2,⋯9})
循环小数 a0+10a1+102a2+103a3+⋯+10m−1am−1+10mam+⋯+10nan(a1,a2,a3,⋯,an∈{0,1,2,⋯9},am∼an 不断循环 )
用这种方法也可以证明“两个数之间有一个有理数”
1.1.7 绝对值
绝对值:R 上的一种距离
“距离”的要求:∣a∣≥0,∣a−b∣=∣b−a∣,∣a+b∣≤∣a∣+∣b∣
“绝对值”定义:∣a∣=⎩⎨⎧a0−aa>0a=0a<0
1.2 数列的极限
数列(点列) a={a1,a2,⋯} 即 N⇒R 的映射
xn+1=2xn+xn2(x1=1),xn=?(n→∞)
y=x2 微元法 [0,1]:k=1∑nn1(nk)2=6n2(n+1)(2n+1)→31
1.2.1 定义
∀ε>0,∃N 使得 ∀n>N,∣an−a∣<ε,那么 a 是 {an} 的极限,记为 n→+∞liman=a 或者 an→a(n→+∞)
例子:设 ∣q∣<1 证明 n−>+∞limqn=0
1.2.2 刻画 {an} 不以 a 为极限
对 ε0>0, 对 ∀N,∃n>N 使得 ∣an−a∣≥ε0
1.2.3 性质
- 设 {an} 收敛,则极限(收敛值)唯一(反证,取 ε0=2∣a−b∣ 易证)
- 改变 {an} 有限项的值,不影响 {an} 的收敛性及收敛值
不妨设 an→a,若改变有限项的值,则 ∃nr 使得 an(n≥nr) 不变
- 设 an→a(n→+∞) 则
- {an} 有界(∃M 使得 ∣an∣≤M(∀n)
- 若 a>l 则对充分大的 n 有 an>l
- 若对充分大的 n 有 an≥l 则 a≥l
- 极限的四则运算
- n→+∞lim(an+bn)=n→+∞liman+n→+∞limbn
- n→+∞limanbn=n→+∞liman⋅n→+∞limbn
- n→+∞limbnan=n→+∞limbnn→+∞liman(存在充分大的 N 有 n>N 时 bn=0,b=0)
例:记 σn=na1+a2+⋯+an,则 n→+∞limσn=n→+∞liman
证明:取 N 使得 n>N 时 ∣an−a∣<2ε。
∣σn−a∣≤n∣a1−a∣+∣a2−a∣+⋯+∣aN−a∣+∣aN+1−a∣+⋯+∣an−a∣≤nNM+2(n−N)ε<nNM+2ε(因为 {an} 有界)
因此,取 N1=max{N,ε2NM},那么 n>N1 时 σn−a<2NMNMε+2ε≤ε
1.2.4 夹逼定理
设 bn→a,cn→a
若对充分大的 n 有 bn≤an≤cn
那么 an→a
例:n→+∞lim1+nα1(α>0)
1<1+nα1<1+nα1,夹逼定理即可
例:n→+∞lim(n2+11+n2+21+⋯+n2+n1)
1+n11=n2+nn<n2+11+n2+21+⋯+n2+n1<n2+1n=1+n211
例:n→+∞limnα
设:nα=1+λ 则 α=(1+λ)n>1+nλ
所以 0<λ<nα−1
夹逼定理得到 n→+∞limλ=0,之后易得
例:n→+∞limnn
1<nn<nn⋅n⋅n−2个1…1<n2n+n−2→1
1.2.4 子列
{an} 无限项构成的数列
定理:{an} 收敛,则 {an} 的任意子列收敛到同一值
例:如果 {an}→a(a=0),那么 {an} 至多有有限项为 0。否则子列收敛到 0,矛盾
1.2.5 实数完备性的若干等价命题
1.2.5.1 确界原理
R 中任何有上(下)界的子集 E 必有上(下)确界
设:X⊂R,a=supX
∀ε>0,a−ε<a⇒a−ε 不是 X 的上界 ⇒∃xε∈X 但是 a−ε<xε≤a
定义:若 {an} 满足 an≤an+1 对 ∀n 成立(n 足够大的情况下)
则称 {an} 单调递增(单调递减同理)
定理:单调递增(减)有上(下)界的数列必然收敛
证明:根据确界原理 {an}⊂R 必有上确界,记 a=sup{an}⇒∀ε>0,a−ε 不是上界 ⇒∃an0∈{an} 使得 a−ε<an0
又因为 an↗,当 n>n0 时有 a−ε<an0≤an0≤a<a+ε⇒∣an−a∣<ε⇒n→+∞liman=a
例:2+2+… 的极限
先证明收敛 再解 a=2+a 得到答案
例:设 an 单调递减 →0,Sn=a1+⋯+an,若 0≤a1−an+a2−an+⋯+an−1−an≤M,证明 Sn 收敛
证明:因为 an≥0,Sn↗,对 ∀n<m
0≤a1−an+a2−an+⋯+an−1−an≤M⇒0≤a1−am+⋯+an−am≤M
令 m→+∞,0≤Sn≤M
定理:en=(1+n1)n 收敛
en=(1+n1)n=k=0∑n(kn)nk1=k=0∑nk!1⋅nkn(n−1)(n−2)⋯(n−k−1)=k=0∑nk!1⋅(1−n1)⋅(1−n2)⋯⋅(1−nk−1)≤k=0∑nk!1≤1+1!1+2!1+⋯+n!1≤1+1+2⋅11+3⋅21+⋯+n⋅(n−1)1=3−n1<3
因此 en 有界
en=(1+n1)n=1⋅n个(1+n1)⋅(1+n1)⋯(1+n1)<(n+11+1+n1+⋯+1+n1)n+1=en+1
因此 en 单调。
⇒en 有极限
意义:有理数列的极限可以不是有理数
例:a1=3,an+1=1+an1
若:a2n<a2n+2,a2n+1>a2n+3
则:a2n+4−a2n+2=1+a2n+31−1+a2n+11=(1+a2n+3)(1+a2n+1)a2n+1−a2n+3
奇偶互推,数学归纳,得到奇数项单减,偶数项单增
又可证 0<an<3(有界)
n→+∞lima2n=a
n→+∞lima2n+1=b
{a=1+b1b=1+a1
⇒a=b⇒a2+a−1=0⇒a+=b+=25−1
1.2.5.2 列紧性
区间套定理
若 [an,bn] 满足:
- [an+1,bn+1]⊆[an,bn](∀n)
- n→+∞lim(bn−an)=0
{an},{bn} 单增(减)有上(下)界
an<bn⇒a≤b
推广:[an+1,bn+1]⊆[an,bn](∀n) 则 i=1⋂∞[an,bn]=∅
特别 n→+∞lim(bn−an)=0 则 i=1⋂∞[an,bn]={ξ}
定理(Bolzano-Weierstines)
任何有界数列必有收敛子列(二分法,两个子区间中必有一个含有无穷项,重复此过程)
1.2.5.3 Cauthy 收敛准则
{an} 收敛 ⇔{an} 是基本列(∣an−a∣<2ε,∣am−a∣<2ε⇒∣an−am∣<ε
基本列:∀ε,∃n 使得 ∀p,∣an+p−an∣<ε
1.2.6 发散到正无穷
记为 n→+∞liman=±∞
发散到正无穷 ⇔ 无界
∀M,∃N,n>N⎩⎨⎧an>Man<−M∣an∣>M⇒an→+∞⇒an→−∞⇒an→∞
1.2.6.1 无穷大(小)量
n→+∞liman=∞/∞1
1.2.6.2 Stolz 定理
n→+∞limbnan=n→+∞limbn−bn−1an−an−1(only if an,bn→0 or bn→∞)
例子:已知 n→+∞lim2an+1+an=a,求证 an 收敛
设 bn=an−3a,则 an 收敛 ⇐limbn=0
∵(−1)nbn=2n(−2)nbn
∴n→+∞lim2n(−2)nbn=n→+∞lim2n+1−2n(−2)n+1bn+1−(−2)nbn=n→+∞lim(−1)n+1(2bn+1+bn)=0
∴n→+∞limbn=0
例子:已知 0<a1<1,xn+1=xn(1−xn) 求证 xn∼n1(n→+∞)
首先,证明单调有界得出极限是 0
然后,n→+∞lim(n+1)−nxn+1−1−xn−1=n→+∞limxnxn+1xn−xn+1=n→+∞limxn2(1−xn)xn−xn+xn2=n→+∞lim1−xn1=1
1.3 函数极限
- 有界:∀x∈I,∣f(x)∣≤M or m≤f(x)≤M
- 单调:∀x<y∈I,x1<x2⇒f(x1)≤f(x2) 单增(单减同理)
- 一一对应 ⇒ 反函数 f−1(f(x))=x
1.3.1 初等函数
1.3.1.1 基本初等函数
- 幂函数 xa(x>0)
- 指数函数 ax(∣x∣<+∞)
- 对数函数 logax(lnx)(x>0)
- 三角函数 sinx/cosx
- 反三角函数 arcsinx
1.3.1.2 初等函数
双曲函数
- sinhx=2ex−e−x
- coshx=2ex+e−x
- 性质 cosh2x−sinh2x=1
初等函数 = 基本初等函数经过有限次加减乘除复合而成
隐函数 x2+y2=1
1.3.2 单点极限
定理 f(x) 在 x0 处的极限存在 ⇔ f(x) 在 x0 处的两个单侧极限存在且相等
例:x→∞limxk1=0 (k 是正整数)
∀ε>0, 令 X=kε1, 则对于所有的 x>X,∣xk−0∣<ε
例:x→∞limax1=0(0<a<1)
∀ε>0, 令 X=logaε, 则对于所有的 x>X,∣ax−0∣<ε
例:x→0limxsinx1=0
∀ε>0, 令 δ=ε 则对于所有的 ∣x∣<δ,∣xsinx1−0∣<ε
证明:x→1limx2−xx2−1=2
∀ε>0, 令 δ=min{21,2ε}, 则对于所有的 0<∣x−1∣<δ,∣∣x2−xx2−1−2∣∣=∣∣xx−1∣∣<2∣x−1∣<2δ<ε
设 f(x)→a,g(x)→b(x→x0)
则:
- x→x0lim(α⋅f(x)+β⋅g(x))=α⋅a+β⋅b
- x→x0limf(x)⋅g(x)=a⋅b
- x→x0limg(x)f(x)=ba(b=0)
定理:x→x0limf(x)=a 的充分必要条件是:任意收敛到 x0 的数列 {an} 有 n→+∞limf(an)=a
1.3.3 【总结】性质与定理
- 极限唯一
- 局部有界
- 四则运算直接带入
- 保序性(x0 的附近 f(x)>g(x),则 n→x0limf(x)≥n→x0limg(x)
- 复合直接带入
- an→x0(n→∞),n→+∞limf(an)=x→x0limf(x)
- 三明治定理
- f(x) 在 (a,b) 上连续,其上任意一点有左、右极限且相等
- Cauthy 收敛准则:f(x) 在 x0 附近有定义,则 f(x) 在 x0 有极限 ⇔∀ε>0,∃δ>0, 使得当 0<∣x′−x0∣<δ,0<∣x′′−x0∣<δ 有 ∣f(x′)−f(x′′)∣<ε
证明(⇒):设极限为 a,∀ε>0,∃δ>0,当 0<∣x−x0∣<δ 时有 ∣f(x)−a∣<2ε,所以 ∣f(m)−a∣<2ε,∣f(m)−a∣<2ε⇒∣f(m)−f(n)∣<ε
证明(⇐):任取 an→x0(n→+∞)。∀N, 当 n,m>N 时有 0<∣n−x0∣<δ,0<∣m−x0∣<δ,则 {f(an)} 满足 Cauthy 准则,收敛到 a
1.3.4 一些重要极限
- x→0limxsinx=1
0<1−xsinx<1−cosx=2sin22x≤2∣∣sin2x∣∣≤∣x∣
- x→∞lim(1+x1)x=e
1.3.5 无穷大量和无穷小量
x→x0limf(x)=∞:∀M>0,∃δ 当 0<∣x−x0∣<δ 时 ∣f(x)∣>M
x→x0limf(x)=0: 同理
x→x0limg(x)f(x)=⎩⎨⎧0c∞f(x)比g(x)低阶f(x)与g(x)同阶f(x)比g(x)高阶
*** 在求极限的过程中,等价无穷小量可以互相代替!