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 加乘
整数 可数无限 加减乘 0,10,1
有理数 可数无限 有序域 加减乘除 0,10,1 不连续
实数 不可数无限 有序域 加减乘除 0,10,1 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

1SsSs+1S}S=N\left. \begin{aligned} &1\in S\\ &s\in S\Rightarrow s+1\in S \end{aligned} \right\}\Rightarrow S=\mathbb{N^*}

1.1.1.2 最小数原理

如果 TNT\subset\mathbb{N^*},则 minT\min T 存在

Proof.Proof.S={ssN,st (tT)}S=\{s\mid s\in\mathbb{N},s\le t\ (\forall t\in T)\}
显然 1SS1\in S\Rightarrow S\not ={\varnothing}
tT,t+1∉S\forall t\in T,t+1\not\in SSN\therefore S\not =\mathbb{N^*}
s0S,s0+1∉S\exists s_0\in S,s_0+1\not\in S
要证 s0Ts_0\in T,若 s0∉Ts0<t(tT)s0+1t(tT)s_0\not\in T\Rightarrow s_0<t(\forall t\in T)\Rightarrow s_0+1\le t(\forall t\in T)
因此 s0+1Ss_0 + 1\in S,矛盾
所以 s0Ts_0\in TminT=s0\min T = s_0

1.1.1.3 数学归纳法

  1. 命题 PPaa 成立
  2. PPnn 成立,则对 n+1n+1 成立

推出 PP 对一切 nan \ge anNn\in\mathbb{N^*} 成立

Proof.Proof. 如果 PPtat\ge a 不成立,则 t1,t2,,at-1,t-2,\dots,a 都不成立,矛盾

1.1.2 无限集合

1.1.2.1 一一对应

deff:AB\operatorname{def} f:A\rightarrow B

  1. aba\not ={b}f(a)f(b)f(a)\not ={f(b)}, 则 ff 是单射
  2. bB,aA\forall b\in B,\exists a\in A 使得 f(a)=bf(a)=b,则 ff 是满射
  3. ff 又单又满,则 ff 称为一一映射

def\operatorname{def}setA,B\operatorname{set} A,B

  1. 如果 ABA\rightarrow B 是一一对应,称 A,BA,B 的基数相等
  2. 如果 ABA\rightarrow B 是满射(非单射),称 AA 的基数大于 BB 的基数
  3. 如果 nN\exists n\in\mathbb N 使得 AA{1,2,3,,n}\{1,2,3,\cdots,n\} 一一对应,称 AA 为有限集合;否则 AA 为无限集合
  4. AA 的基数是可数的,当且仅当 AAN\mathbb N 存在一一对应

性质:Z,Q\mathbb{Z},\mathbb{Q} 都是可数的,而 2N2^\mathbb{N} 是不可数的

1.1.2.2 算术

证明 2\sqrt{2} 不是有理数

Proof.Proof.a=pq=2a=\frac{p}{q}=\sqrt{2}
p2q2=2\therefore\frac{p^2}{q^2}=2
p\Rightarrow p 偶数 q\Rightarrow q 偶数
矛盾,所以 2∉Q\sqrt{2}\not\in Q

1.1.2.3 有理数的稠密性

神奇的事情:设 X={xQx2<2x<0}X=\{x\in\mathbb{Q}\mid x^2<2或x<0\}Y={yQy2>2}Y=\{y\in\mathbb{Q}\mid y^2>2\},则 maxX,minY\max X,\min Y 均不存在,但 XY=QX\cap Y=\mathbb{Q}
Proof.Proof.aXa\in X 能找出一个 a=a+2a2a+2>a,aXa'=a+\frac{2-a^2}{a+2}>a,a'\in X;对 aYa\in Y 能找出一个 a=aa22a+2<a,aYa'=a-\frac{a^2-2}{a+2}<a,a'\in Y。矛盾

X\therefore XQQ 中没有最小上界,YYQQ 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 RQ\mathbb R\setminus \mathbb Q

Lesson 2 (9.15)

1.1.3 域

1.1.3.1 定义

SS 是域

  1. 对加法封闭 x,yS,x+yS\forall x,y\in S,x+y\in S
  2. 存在零元 有元素 0SS0_S\in S 使得 xS,x+0S=x\forall x\in S,x+0_S=x
  3. 加法交换律 x,yS,x+y=y+x\forall x,y\in S,x+y=y+x
  4. 存在负元 xS\forall x\in S 存在负元 xS-x\in S 使得 x+(x)=0Sx+(-x)=0_S
  5. 对乘法封闭x,yS,xyS\forall x,y\in S,x\cdot y\in S
  6. 存在单位元 有元素 1SS1_S\in S 使得 xS,x1S=x\forall x\in S,x\cdot 1_S=x
  7. 乘法交换律 x,yS,xy=yx\forall x,y\in S,x\cdot y=y\cdot x
  8. 乘法结合律 x,yS,(xy)z=x(yz)\forall x,y\in S,(x\cdot y)\cdot z=x\cdot(y\cdot z)
  9. 乘法分配律 x,yS,(x+y)z=xz+yz\forall x,y\in S,(x+y)\cdot z=x\cdot z+y\cdot z
  10. 存在逆元 xS\forall x\in S 存在逆元 x1Sx^{-1}\in S 使得 xx1=1Sx\cdot x^{-1}=1_S

1.1.3.2 有序域

x,yF\forall x,y\in F,那么三种情况 x<y,x>y,x=yx<y,x>y,x=y 有且仅有一种情况发生

有序域

  1. x,y,zS,x<yx+z<y+zx,y,z\in S,x<y\Rightarrow x+z<y+z
  2. x,yS,x>0,y>0xy>0x,y\in S,x>0,y>0\Rightarrow xy>0

反证 C\mathbb C 不可能是有序域:不论规定 i>0,i<0,i=0i>0,i<0,i=0 中的哪一种,i2i^20\ge 0,而 i2=1<0i^2=-1<0,矛盾

1.1.4 界

1.1.4.1 有界定义

EFE\subset F
βF,\exists\beta\in F, 使得 αE,\forall\alpha\in E,αβ\alpha\le\beta,则称 β\betaEE 的上界

1.1.4.2 确界定义

EF,EE\subset F,E 有上界。
若在 FF 中存在 EE 的最小的上界,则称这个最小的上界为上确界 supEF\sup E\in F。同理可定义下确界 infEF\inf E\in F

1.1.4.3 确界原理

FF 的任意子集 EE 有上(下)界,那么 EEFF 中有上(下)确界,此时称 FF 满足确界原理

定理:若 FF 满足上确界原理,那么 FF 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\mathbb Q 为其子集,称为 R\mathbb R

1.1.5 实数的特点

  1. 与数轴上的点一一对应
  2. 不可数

1.1.6 有理数的稠密性

1.1.6.1 阿基米德原理

x,yR\forall x,y\in\mathbb Rx>0x >0nN s.t. nx>y(n1)x\exists n\in\mathbb N \verb| s.t. |nx>y\ge(n-1)x

E={nxnN}E=\{nx\mid n\in \mathbb N\}

反证:若不成立,则 yyEE 的上界即 EE 有上确界

α=supER\alpha=\sup E\in\mathbb R

αx<ααx\alpha-x<\alpha\Rightarrow\alpha-x 不是 EE 的上界 nxE\exists nx\in E 使得 αx<nx\alpha-x<nx

α<(n+1)xE\Rightarrow \alpha<(n+1)x\in E 矛盾

此时存在 nx>ynx>y,找到最小的 nn,即所求

1.1.6.2 两个数之间有一个有理数

形式化的说,x,yR,x<y,zQ s.t. x<z<y\forall x,y\in\mathbb R,x<y,\exists z\in\mathbb Q\verb| s.t. |x<z<y

原因:

不妨假设 x<yx<y,则存在足够大的整数 nn 使得 n(yx)>1n(y-x)>1,此时存在整数 mm 使得

nx<m<nx+1<nyx<mn<ynx<m<nx+1<ny\Rightarrow x<\frac{m}{n}<y

1.1.6.3 十进制小数

有限小数 a0+a110+a2102+a3103++an10n(a1,a2,a3,,an{0,1,2,9})a_0+\frac{a_1}{10}+\frac{a_2}{10^2}+\frac{a_3}{10^3}+\cdots+\frac{a_n}{10^n}(a_1,a_2,a_3,\cdots,a_n\in\{0,1,2,\cdots 9\})

循环小数 a0+a110+a2102+a3103++am110m1+am10m++an10n(a1,a2,a3,,an{0,1,2,9},amana_0+\frac{a_1}{10}+\frac{a_2}{10^2}+\frac{a_3}{10^3}+\cdots+\frac{a_{m-1}}{10^{m-1}}+\frac{a_m}{10^m}+\cdots+\frac{a_n}{10^n}(a_1,a_2,a_3,\cdots,a_n\in\{0,1,2,\cdots 9\},a_m\sim a_n 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\mathbb R 上的一种距离

“距离”的要求:a0,ab=ba,a+ba+b|a|\ge0,|a-b|=|b-a|,|a+b|\le|a|+|b|

“绝对值”定义:a={aa>00a=0aa<0|a|=\begin{cases}a&a>0\\0&a=0\\-a&a<0\end{cases}

1.2 数列的极限

数列(点列) a={a1,a2,}a=\{a_1,a_2,\cdots\}NR\mathbb N\Rightarrow\mathbb R 的映射

xn+1=xn+2xn2(x1=1),xn=?(n)x_{n+1}=\frac{x_n+\frac{2}{x_n}}{2}(x_1=1), x_n=?(n\rightarrow\infty)

y=x2y=x^2 微元法 [0,1]:k=1n1n(kn)2=(n+1)(2n+1)6n213[0,1]:\sum\limits_{k=1}^{n}\frac{1}{n}(\frac{k}{n})^2=\frac{(n+1)(2n+1)}{6n^2}\rightarrow\frac{1}{3}

1.2.1 定义

ε>0,N\forall\varepsilon > 0,\exists N 使得 n>N,ana<ε\forall n>N,|a_n-a|<\varepsilon,那么 aa{an}\{a_n\} 的极限,记为 limn+an=a\lim\limits_{n\to+\infty}a_n=a 或者 ana(n+)a_n\rightarrow a(n\to+\infty)

例子:设 q<1|q|<1 证明 limn>+qn=0\lim\limits_{n->+\infty}q^n=0

1.2.2 刻画 {an}\{a_n\} 不以 aa 为极限

ε0>0,\varepsilon_0>0,N,n>N\forall N,\exists n>N 使得 anaε0|a_n-a|\ge\varepsilon_0

1.2.3 性质

  1. {an}\{a_n\} 收敛,则极限(收敛值)唯一(反证,取 ε0=ab2\varepsilon_0=\frac{|a-b|}{2} 易证)
  2. 改变 {an}\{a_n\} 有限项的值,不影响 {an}\{a_n\} 的收敛性及收敛值
    不妨设 anaa_n\rightarrow a,若改变有限项的值,则 nr\exists n_r 使得 an(nnr)a_n(n\ge n_r) 不变
  3. ana(n+)a_n\rightarrow a(n\to+\infty)
    1. {an}\{a_n\} 有界(M\exists M 使得 anM(n)|a_n| \le M(\forall n)
    2. a>la>l 则对充分大的 nnan>la_n > l
    3. 若对充分大的 nnanla_n\ge lala\ge l
  4. 极限的四则运算
    1. limn+(an+bn)=limn+an+limn+bn\lim\limits_{n\to+\infty}(a_n+b_n)=\lim\limits_{n\to+\infty}a_n+\lim\limits_{n\to+\infty}b_n
    2. limn+anbn=limn+anlimn+bn\lim\limits_{n\to+\infty}a_nb_n=\lim\limits_{n\to+\infty}a_n\cdot\lim\limits_{n\to+\infty}b_n
    3. limn+anbn=limn+anlimn+bn\lim\limits_{n\to+\infty}\frac{a_n}{b_n}=\frac{\lim\limits_{n\to+\infty}a_n}{\lim\limits_{n\to+\infty}b_n}(存在充分大的 NNn>Nn > Nbn0,b0b_n\not=0,b\not=0

例:记 σn=a1+a2++ann\sigma_n=\frac{a_1+a_2+\cdots+a_n}{n},则 limn+σn=limn+an\lim\limits_{n\to+\infty}\sigma_n=\lim\limits_{n\to+\infty}a_n
证明:取 NN 使得 n>Nn>Nana<ε2|a_n-a|<\frac{\varepsilon}{2}
σnaa1a+a2a++aNa+aN+1a++ananNM+(nN)ε2n<NMn+ε2|\sigma_n-a|\le\frac{|a_1-a|+|a_2-a|+\cdots+|a_N-a|+|a_{N+1}-a|+\cdots+|a_n-a|}{n}\le\frac{NM+\frac{(n-N)\varepsilon}{2}}{n}<\frac{NM}{n}+\frac{\varepsilon}{2}(因为 {an}\{a_n\} 有界)
因此,取 N1=max{N,2NMε}N_1=\max\{N, \frac{2NM}{\varepsilon}\},那么 n>N1n>N_1σna<NMε2NM+ε2ε\sigma_n-a<\frac{NM\varepsilon}{2NM}+\frac{\varepsilon}{2}\le\varepsilon

1.2.4 夹逼定理

bna,cnab_n\rightarrow a,c_n\rightarrow a
若对充分大的 nnbnancnb_n\le a_n\le c_n
那么 anaa_n\rightarrow a

例:limn+1+1nα(α>0)\lim\limits_{n\to+\infty}\sqrt{1+\frac{1}{n^\alpha}}(\alpha>0)
1<1+1nα<1+1nα1<\sqrt{1+\frac{1}{n^\alpha}}<1+\frac{1}{n^\alpha},夹逼定理即可

例:limn+(1n2+1+1n2+2++1n2+n)\lim\limits_{n\to+\infty}(\frac{1}{\sqrt{n^2+1}}+\frac{1}{\sqrt{n^2+2}}+\cdots+\frac{1}{\sqrt{n^2+n}})
11+1n=nn2+n<1n2+1+1n2+2++1n2+n<nn2+1=11+1n2\frac{1}{\sqrt{1+\frac{1}{n}}}=\frac{n}{\sqrt{n^2+n}}<\frac{1}{\sqrt{n^2+1}}+\frac{1}{\sqrt{n^2+2}}+\cdots+\frac{1}{\sqrt{n^2+n}}<\frac{n}{\sqrt{n^2+1}}=\frac{1}{\sqrt{1+\frac{1}{n^2}}}

例:limn+αn\lim\limits_{n\to+\infty}\sqrt[n]{\alpha}
设:αn=1+λ\sqrt[n]{\alpha}=1+\lambdaα=(1+λ)n>1+nλ\alpha=(1+\lambda)^n>1+n\lambda
所以 0<λ<α1n0<\lambda<\frac{\alpha-1}{n}
夹逼定理得到 limn+λ=0\lim\limits_{n\to+\infty}\lambda = 0,之后易得

例:limn+nn\lim\limits_{n\to+\infty}\sqrt[n]{n}
1<nn<nn11undefinedn2n<2n+n2n11<\sqrt[n]{n}<\sqrt[n]{\sqrt{n}\cdot\sqrt{n}\cdot \underbrace{1\dots1}_{n-2 \texttt{个}}}<\frac{2\sqrt{n}+n-2}{n}\rightarrow 1

1.2.4 子列

{an}\{a_n\} 无限项构成的数列
定理:{an}\{a_n\} 收敛,则 {an}\{a_n\} 的任意子列收敛到同一值

例:如果 {an}a(a0)\{a_n\}\rightarrow a(a\not=0),那么 {an}\{a_n\} 至多有有限项为 00。否则子列收敛到 00,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\mathbb R 中任何有上(下)界的子集 EE 必有上(下)确界

设:XR,a=supXX\subset\mathbb R,a=\sup X
ε>0,aε<aaε\forall\varepsilon>0, a-\varepsilon<a\Rightarrow a-\varepsilon 不是 XX 的上界 xεX\Rightarrow\exists x_\varepsilon\in X 但是 aε<xεaa-\varepsilon<x_\varepsilon\le a

定义:若 {an}\{a_n\} 满足 anan+1a_n\le a_{n+1}n\forall n 成立(nn 足够大的情况下)
则称 {an}\{a_n\} 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\{a_n\}\subset\mathbb R 必有上确界,记 a=sup{an}ε>0,aεa=\sup\{a_n\}\Rightarrow\forall\varepsilon>0,a-\varepsilon 不是上界 an0{an}\Rightarrow\exists a_{n_0}\in\{a_n\} 使得 aε<an0a-\varepsilon<a_{n_0}
又因为 ana_n\nearrow,当 n>n0n>n_0 时有 aε<an0an0a<a+εana<εlimn+an=aa-\varepsilon<a_{n_0}\le a_{n_0}\le a<a+\varepsilon\Rightarrow|a_n-a|<\varepsilon\Rightarrow\lim\limits_{n\to+\infty}a_n=a

例:2+2+\sqrt{2+\sqrt{2+\sqrt{\dots}}} 的极限
证明收敛 再解 a=2+aa=\sqrt{2+a} 得到答案

例:设 ana_n 单调递减 0\rightarrow 0Sn=a1++anS_n=a_1+\cdots+a_n,若 0a1an+a2an++an1anM0\le a_1-a_n+a_2-a_n+\cdots+a_{n-1}-a_n\le M,证明 SnS_n 收敛
证明:因为 an0,Sna_n\ge 0,S_n\nearrow,对 n<m\forall n<m
0a1an+a2an++an1anM0a1am++anamM0\le a_1-a_n+a_2-a_n+\cdots+a_{n-1}-a_n\le M\Rightarrow 0\le a_1-a_m+\cdots+a_n-a_m\le M
m+,0SnMm\rightarrow+\infty,0\le S_n\le M

定理:en=(1+1n)ne_n=(1+\frac{1}{n})^n 收敛

en=(1+1n)n=k=0n(nk)1nk=k=0n1k!n(n1)(n2)(nk1)nk=k=0n1k!(11n)(12n)(1k1n)k=0n1k!1+11!+12!++1n!1+1+121+132++1n(n1)=31n<3\begin{aligned} e_n&=(1+\frac{1}{n})^n\\ &=\sum_{k=0}^n\binom{n}{k}\frac{1}{n^k}\\ &=\sum_{k=0}^n\frac{1}{k!}\cdot\frac{n(n-1)(n-2)\cdots(n-k-1)}{n^k}\\ &=\sum_{k=0}^n\frac{1}{k!}\cdot(1-\frac{1}{n})\cdot(1-\frac{2}{n})\cdots\cdot(1-\frac{k-1}{n})\\ &\le\sum_{k=0}^n\frac{1}{k!}\\ &\le 1+\frac{1}{1!}+\frac{1}{2!}+\cdots+\frac{1}{n!}\\ &\le 1+1+\frac{1}{2\cdot 1}+\frac{1}{3\cdot 2}+\cdots+\frac{1}{n\cdot (n-1)}\\ &=3-\frac{1}{n}\\ &<3 \end{aligned}

因此 ene_n 有界

en=(1+1n)n=1(1+1n)(1+1n)(1+1n)undefinedn<(1+1+1n++1+1nn+1)n+1=en+1\begin{aligned} e_n&=(1+\frac{1}{n})^n\\ &=1\cdot\underbrace{(1+\frac{1}{n})\cdot(1+\frac{1}{n})\cdots(1+\frac{1}{n})}_{n \texttt{个}}\\ &<\left(\frac{1+1+\frac{1}{n}+\cdots+1+\frac{1}{n}}{n+1}\right)^{n+1}\\ &=e_{n+1}\\ \end{aligned}

因此 ene_n 单调。

en\Rightarrow e_n 有极限

意义:有理数列的极限可以不是有理数

例:a1=3,an+1=11+ana_1=3, a_{n+1}=\frac{1}{1+a_n}

若:a2n<a2n+2,a2n+1>a2n+3a_{2n}<a_{2n+2},a_{2n+1}>a_{2n+3}
则:a2n+4a2n+2=11+a2n+311+a2n+1=a2n+1a2n+3(1+a2n+3)(1+a2n+1)a_{2n+4}-a_{2n+2}=\frac{1}{1+a_{2n+3}}-\frac{1}{1+a_{2n+1}}=\frac{a_{2n+1}-a_{2n+3}}{(1+a_{2n+3})(1+a_{2n+1})}
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<30<a_n<3(有界)

limn+a2n=a\lim\limits_{n\to+\infty}a_{2n} = a
limn+a2n+1=b\lim\limits_{n\to+\infty}a_{2n+1} = b
{a=11+bb=11+a\begin{cases}a=\frac{1}{1+b}\\ b=\frac{1}{1+a}\end{cases}

a=ba2+a1=0a+=b+=512\Rightarrow a=b\Rightarrow a^2+a-1=0\Rightarrow a_{+}=b_{+}=\frac{\sqrt{5}-1}{2}

1.2.5.2 列紧性

区间套定理
[an,bn][a_n,b_n] 满足:

  1. [an+1,bn+1][an,bn](n)[a_{n+1},b_{n+1}]\subseteq[a_n,b_n](\forall n)
  2. limn+(bnan)=0\lim\limits_{n\to+\infty}(b_n-a_n)=0

{an},{bn}\{a_n\},\{b_n\} 单增(减)有上(下)界
an<bnaba_n<b_n\Rightarrow a\le b

推广:[an+1,bn+1][an,bn](n)[a_{n+1},b_{n+1}]\subseteq[a_n,b_n](\forall n)i=1[an,bn]\bigcap\limits_{i=1}^{\infty}[a_n,b_n]\not=\varnothing
特别 limn+(bnan)=0\lim\limits_{n\to+\infty}(b_n-a_n)=0i=1[an,bn]={ξ}\bigcap\limits_{i=1}^{\infty}[a_n,b_n]=\{\xi\}

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}\{a_n\} 收敛 {an}\Leftrightarrow \{a_n\} 是基本列(ana<ε2,ama<ε2anam<ε|a_n-a|<\frac{\varepsilon}{2}, |a_m-a|<\frac{\varepsilon}{2}\Rightarrow|a_n-a_m|<\varepsilon 基本列:ε,n\forall\varepsilon,\exists n 使得 p,an+pan<ε\forall p,|a_{n+p}-a_n|<\varepsilon

1.2.6 发散到正无穷

记为 limn+an=±\lim\limits_{n\to+\infty}a_n=\pm\infty

发散到正无穷 \Leftrightarrow 无界

M,N,n>N{an>Man+an<Manan>Man\forall M,\exists N,n>N\begin{cases}a_n>M&\Rightarrow a_n\to+\infty\\ a_n<-M&\Rightarrow a_n\to-\infty\\ |a_n|>M&\Rightarrow a_n\to\infty\\ \end{cases}

1.2.6.1 无穷大(小)量

limn+an=/1\lim\limits_{n\to+\infty}a_n=\infty/\frac{1}{\infty}

1.2.6.2 Stolz 定理

limn+anbn=limn+anan1bnbn1(only if an,bn0 or bn)\lim\limits_{n\to+\infty}\frac{a_n}{b_n}=\lim\limits_{n\to+\infty}\frac{a_n-a_{n-1}}{b_n-b_{n-1}}(\verb|only if |a_n,b_n\to 0\verb| or |b_n\to\infty)

例子:已知 limn+2an+1+an=a\lim\limits_{n\to+\infty}2a_{n+1}+a_n=a,求证 ana_n 收敛

bn=ana3b_n=a_n-\frac{a}{3},则 ana_n 收敛 limbn=0\Leftarrow\lim\limits b_n=0

(1)nbn=(2)nbn2n\because(-1)^n b_n=\frac{(-2)^nb_n}{2^n}

limn+(2)nbn2n=limn+(2)n+1bn+1(2)nbn2n+12n=limn+(1)n+1(2bn+1+bn)=0\therefore\lim\limits_{n\to+\infty}\frac{(-2)^nb_n}{2^n}=\lim\limits_{n\to+\infty}\frac{(-2)^{n+1}b_{n+1}-(-2)^nb_n}{2^{n+1}-2^n}=\lim\limits_{n\to+\infty}(-1)^{n+1}(2b_{n+1}+b_n)=0

limn+bn=0\therefore\lim\limits_{n\to+\infty}b_n=0

例子:已知 0<a1<1,xn+1=xn(1xn)0<a_1<1,x_{n+1}=x_n(1-x_n) 求证 xn1n(n+)x_n\sim\frac{1}{n}(n\to+\infty)

首先,证明单调有界得出极限是 00

然后,limn+xn+11xn1(n+1)n=limn+xnxn+1xnxn+1=limn+xnxn+xn2xn2(1xn)=limn+11xn=1\lim\limits_{n\to+\infty}\frac{x_{n+1}^{-1}-x_n^{-1}}{(n+1)-n}=\lim\limits_{n\to+\infty}\frac{x_n-x_{n+1}}{x_nx_{n+1}}=\lim\limits_{n\to+\infty}\frac{x_n-x_n+x_n^2}{x_n^2(1-x_n)}=\lim\limits_{n\to+\infty}\frac{1}{1-x_n}=1

1.3 函数极限

  1. 有界:xI,f(x)M or mf(x)M\forall x\in I,|f(x)|\le M\verb| or |m\le f(x)\le M
  2. 单调:x<yI,x1<x2f(x1)f(x2)\forall x<y\in I,x_1<x_2\Rightarrow f(x_1)\le f(x_2) 单增(单减同理)
  3. 一一对应 \Rightarrow 反函数 f1(f(x))=xf^{-1}(f(x))=x

1.3.1 初等函数

1.3.1.1 基本初等函数

  1. 幂函数 xa(x>0)x^a(x>0)
  2. 指数函数 ax(x<+)a^x(|x|<+\infty)
  3. 对数函数 logax(lnx)(x>0)\log_ax(\ln x)(x>0)
  4. 三角函数 sinx/cosx\sin x/\cos x
  5. 反三角函数 arcsinx\arcsin x

1.3.1.2 初等函数

双曲函数

  1. sinhx=exex2\sinh x=\frac{e^x-e^{-x}}{2}
  2. coshx=ex+ex2\cosh x=\frac{e^x+e^{-x}}{2}
  3. 性质 cosh2xsinh2x=1\cosh^2 x-\sinh^2 x=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=1x^2+y^2=1

1.3.2 单点极限

定理 f(x)f(x)x0x_0 处的极限存在 \Leftrightarrow f(x)f(x)x0x_0 处的两个单侧极限存在且相等

例:limx1xk=0\lim\limits_{x\rightarrow\infty}\frac{1}{x^k}=0kk 是正整数)
ε>0,\forall\varepsilon>0,X=1εk,X=\sqrt[k]{\frac{1}{\varepsilon}}, 则对于所有的 x>X,xk0<εx>X,|x^k-0|<\varepsilon

例:limx1ax=0(0<a<1)\lim\limits_{x\rightarrow\infty}\frac{1}{a^x}=0(0<a<1) ε>0,\forall\varepsilon>0,X=logaε,X=\log_a\varepsilon, 则对于所有的 x>X,ax0<εx>X,|a^x-0|<\varepsilon

例:limx0xsin1x=0\lim\limits_{x\rightarrow0}x\sin\frac{1}{x}=0
ε>0,\forall\varepsilon>0,δ=ε\delta=\varepsilon 则对于所有的 x<δ,xsin1x0<ε|x|<\delta,|x\sin\frac{1}{x}-0|<\varepsilon

证明:limx1x21x2x=2\lim\limits_{x\to 1}\frac{x^2-1}{x^2-x}=2
ε>0,\forall\varepsilon>0,δ=min{12,ε2},\delta=\min\left\{\frac{1}{2},\frac{\varepsilon}{2}\right\}, 则对于所有的 0<x1<δ,x21x2x2=x1x<2x1<2δ<ε0<|x-1|<\delta,\left|\frac{x^2-1}{x^2-x}-2\right|=\left|\frac{x-1}{x}\right|<2|x-1|<2\delta<\varepsilon

f(x)a,g(x)b(xx0)f(x)\rightarrow a,g(x)\rightarrow b(x\to x_0)
则:

  1. limxx0(αf(x)+βg(x))=αa+βb\lim\limits_{x\to x_0}(\alpha\cdot f(x)+\beta\cdot g(x))=\alpha\cdot a+\beta\cdot b
  2. limxx0f(x)g(x)=ab\lim\limits_{x\to x_0}f(x)\cdot g(x)=a\cdot b
  3. limxx0f(x)g(x)=ab(b0)\lim\limits_{x\to x_0}\frac{f(x)}{g(x)}=\frac{a}{b}(b\not=0)

定理:limxx0f(x)=a\lim\limits_{x\to x_0}f(x)=a 的充分必要条件是:任意收敛到 x0x_0 的数列 {an}\{a_n\}limn+f(an)=a\lim\limits_{n\to+\infty}f(a_n)=a

1.3.3 【总结】性质与定理

  1. 极限唯一
  2. 局部有界
  3. 四则运算直接带入
  4. 保序性(x0x_0 的附近 f(x)>g(x)f(x)>g(x),则 limnx0f(x)limnx0g(x)\lim\limits_{n\to x_0}f(x)\geq\lim\limits_{n\to x_0}g(x)
  5. 复合直接带入
  6. anx0(n),limn+f(an)=limxx0f(x)a_n\to x_0(n\to\infty),\lim\limits_{n\to+\infty}f(a_n)=\lim\limits_{x\to x_0}f(x)
  7. 三明治定理
  8. f(x)f(x)(a,b)(a,b) 上连续,其上任意一点有左、右极限且相等
  9. Cauthy 收敛准则:f(x)f(x)x0x_0 附近有定义,则 f(x)f(x)x0x_0 有极限 ε>0,δ>0,\Leftrightarrow\forall\varepsilon>0,\exists\delta>0, 使得当 0<xx0<δ,0<xx0<δ0<|x'-x_0|<\delta,0<|x''-x_0|<\deltaf(x)f(x)<ε|f(x')-f(x'')|<\varepsilon

    证明(\Rightarrow):设极限为 aaε>0,δ>0\forall\varepsilon>0,\exists\delta>0,当 0<xx0<δ0<|x-x_0|<\delta 时有 f(x)a<ε2|f(x)-a|<\frac{\varepsilon}{2},所以 f(m)a<ε2,f(m)a<ε2f(m)f(n)<ε|f(m)-a|<\frac{\varepsilon}{2},|f(m)-a|<\frac{\varepsilon}{2}\Rightarrow |f(m)-f(n)|<\varepsilon
    证明(\Leftarrow):任取 anx0(n+)a_n\rightarrow x_0(n\to+\infty)N,\forall N,n,m>Nn,m>N 时有 0<nx0<δ,0<mx0<δ0<|n-x_0|<\delta,0<|m-x_0|<\delta,则 {f(an)}\{f(a_n)\} 满足 Cauthy 准则,收敛到 aa

1.3.4 一些重要极限

  1. limx0sinxx=1\lim\limits_{x\to 0}\frac{\sin x}{x}=1
    0<1sinxx<1cosx=2sin2x22sinx2x0<1-\frac{\sin x}{x}<1-\cos x=2\sin^2\frac{x}{2}\le2\left|\sin\frac{x}{2}\right|\le|x|
  2. limx(1+1x)x=e\lim\limits_{x\to\infty}\left(1+\frac{1}{x}\right)^x=e

1.3.5 无穷大量和无穷小量

limxx0f(x)=:M>0,δ\lim\limits_{x\to x_0}f(x)=\infty:\forall M>0,\exists\delta0<xx0<δ0<|x-x_0|<\deltaf(x)>M|f(x)|>M
limxx0f(x)=0:\lim\limits_{x\to x_0}f(x)=0: 同理

limxx0f(x)g(x)={0f(x)g(x)低阶cf(x)g(x)同阶f(x)g(x)高阶\lim\limits_{x\to x_0}\frac{f(x)}{g(x)}=\begin{cases}0&f(x) \text{比} g(x) \text{低阶}\\ c&f(x) \text{与} g(x) \text{同阶}\\ \infty &f(x) \text{比} g(x) \text{高阶}\end{cases}

*** 在求极限的过程中,等价无穷小量可以互相代替!