准则1:如果数列 { x n } \{x_n\} {xn}, { y n } \{y_n\} {yn}及 { z n } \{z_n\} {zn}满足以下条件:
(1)从某项起,即 ∃ n 0 ∈ N + , 当 n > n 0 时,有 y n ≤ x n ≤ z n \exist n_0\in N_+,当n\gt n_0时,有 y_n\le x_n\le z_n ∃n0∈N+,当n>n0时,有yn≤xn≤zn
(2) lim n → ∞ y n = a , lim n → ∞ z n = a \lim\limits_{n\to\infty}y_n=a,\lim\limits_{n\to\infty}z_n=a n→∞limyn=a,n→∞limzn=a
那么数列 { x n } \{x_n\} {xn}的极限存在,且 lim n → ∞ x n = a \lim\limits_{n\to\infty}x_n=a n→∞limxn=a
证明:
因为
lim
n
→
∞
y
n
=
a
,所以
∀
ϵ
>
0
,
∃
N
1
∈
N
+
,
当
n
>
N
1
时,有
∣
y
n
−
a
∣
<
ϵ
因为
lim
n
→
∞
z
n
=
a
,所以对于上述
ϵ
,
∃
N
2
∈
N
+
,
当
n
>
N
2
时,有
∣
z
n
−
a
∣
<
ϵ
又因为
∃
n
0
∈
N
+
,
当
n
>
n
0
时,有
y
n
≤
x
n
≤
z
n
取
N
=
max
(
n
0
,
N
1
,
N
2
)
,
则当
n
>
N
时,有
∣
y
n
−
a
∣
<
ϵ
∣
z
n
−
a
∣
<
ϵ
y
n
≤
x
n
≤
z
n
即
a
−
ϵ
<
y
n
<
a
+
ϵ
a
−
ϵ
<
z
n
<
a
+
ϵ
y
n
≤
x
n
≤
z
n
即
a
−
ϵ
<
y
n
≤
x
n
≤
z
n
<
a
+
ϵ
即
∣
x
n
−
a
∣
<
ϵ
所以
lim
n
→
∞
x
n
=
a
因为\lim\limits_{n\to\infty}y_n=a ,所以 \forall\epsilon\gt 0,\exists N_1\in N_+,当n\gt N_1时,有|y_n-a|\lt\epsilon \\ 因为\lim\limits_{n\to\infty}z_n=a ,所以 对于上述\epsilon,\exists N_2\in N_+,当n\gt N_2时,有|z_n-a|\lt\epsilon \\ 又因为\exist n_0\in N_+,当n\gt n_0时,有 y_n\le x_n\le z_n \\ 取N=\max(n_0,N_1,N_2),则当n\gt N时,有 |y_n-a|\lt\epsilon\quad|z_n-a|\lt\epsilon\quad y_n\le x_n\le z_n \\ 即 a-\epsilon\lt y_n\lt a+\epsilon\quad a-\epsilon\lt z_n\lt a+\epsilon\quad y_n\le x_n\le z_n \\ 即a-\epsilon\lt y_n\le x_n\le z_n\lt a+\epsilon \\ 即|x_n-a|\lt\epsilon \\ 所以\lim\limits_{n\to\infty}x_n=a
因为n→∞limyn=a,所以∀ϵ>0,∃N1∈N+,当n>N1时,有∣yn−a∣<ϵ因为n→∞limzn=a,所以对于上述ϵ,∃N2∈N+,当n>N2时,有∣zn−a∣<ϵ又因为∃n0∈N+,当n>n0时,有yn≤xn≤zn取N=max(n0,N1,N2),则当n>N时,有∣yn−a∣<ϵ∣zn−a∣<ϵyn≤xn≤zn即a−ϵ<yn<a+ϵa−ϵ<zn<a+ϵyn≤xn≤zn即a−ϵ<yn≤xn≤zn<a+ϵ即∣xn−a∣<ϵ所以n→∞limxn=a
准则 1 ′ 1' 1′ :如果
(1)当 x ∈ U ∘ ( x 0 , r ) ( 或 ∣ x ∣ > M ) x\in\overset\circ U(x_0,r)(或|x|\gt M) x∈U∘(x0,r)(或∣x∣>M)时, g ( x ) ≤ f ( x ) ≤ h ( x ) g(x)\le f(x)\le h(x) g(x)≤f(x)≤h(x)
(2) lim x → x 0 g ( x ) = A , lim x → x 0 h ( x ) = A 或者 lim x → ∞ g ( x ) = A , lim x → ∞ h ( x ) = A \lim\limits_{x\to x_0}g(x)=A,\lim\limits_{x\to x_0}h(x)=A或者\lim\limits_{x\to\infty}g(x)=A,\lim\limits_{x\to\infty}h(x)=A x→x0limg(x)=A,x→x0limh(x)=A或者x→∞limg(x)=A,x→∞limh(x)=A
那么 lim x → x 0 f ( x ) 或者 lim x → ∞ f ( x ) 存在,且等于 A \lim\limits_{x\to x_0}f(x)或者\lim\limits_{x\to\infty}f(x)存在,且等于A x→x0limf(x)或者x→∞limf(x)存在,且等于A
准则1和准则 1 ′ 1' 1′ 称为夹逼准则。
利用上面的夹逼准则,我们来证明 lim x → 0 sin x x \lim\limits_{x\to 0}\frac{\sin x}{x} x→0limxsinx极限存在并求出极限。
证明,如图2-1所示单位圆:
设圆心角
∠
A
O
B
=
x
,
0
<
x
<
π
2
,
则
sin
x
=
A
C
O
A
=
A
C
,
x
=
弧
A
B
,
且
S
△
A
O
B
<
S
扇形
O
A
B
<
S
△
O
D
B
即,
sin
x
2
<
x
2
<
tan
x
2
,
整理得
cos
x
<
sin
x
x
<
1
(
6
−
1
)
当
−
π
2
<
x
<
0
时,
cos
x
与
sin
x
x
都不变,所以当
0
<
∣
x
∣
<
π
2
时,不等式
6
−
1
都成立
当
0
<
∣
x
∣
<
π
2
时,有
0
<
∣
1
−
cos
x
∣
=
1
−
cos
x
=
2
sin
2
x
2
<
2
(
x
2
)
2
=
x
2
2
即
0
<
1
−
cos
x
<
x
2
2
当
x
→
0
时,
x
2
2
→
0
,
由准则
I
′
有
lim
x
→
0
cos
x
=
1
所以有不等式
6
−
1
和准则
I
′
有
lim
x
→
0
sin
x
x
=
1
设圆心角\angle AOB=x,0\lt x\lt \frac{\pi}{2} ,则 \\ \sin x=\frac{AC}{OA}=AC,x=弧{AB},且S_{\triangle AOB}\lt S_{扇形OAB}\lt S_{\triangle ODB}\quad 即,\\ \frac{\sin x}{2}\lt\frac{x}{2}\lt\frac{\tan x}{2} ,整理得 \\ \cos x\lt\frac{\sin x}{x}\lt 1\quad (6-1) \\ 当-\frac{\pi}{2}\lt x\lt 0时,\cos x与\frac{\sin x}{x}都不变,所以当0\lt|x|\lt\frac{\pi}{2}时,不等式6-1都成立 \\ 当0\lt|x|\lt\frac{\pi}{2}时,有0\lt|1-\cos x|=1-\cos x=2\sin^2{\frac{x}{2}}\lt2(\frac{x}{2})^2=\frac{x^2}{2} 即\\ 0\lt1-\cos x\lt \frac{x^2}{2} \\ 当x\to 0时,\frac{x^2}{2}\to 0,由准则I'有\lim\limits_{x\to 0}\cos x = 1 \\ 所以有不等式6-1和准则I'有 \\ \lim\limits_{x\to 0}\frac{\sin x}{x} = 1
设圆心角∠AOB=x,0<x<2π,则sinx=OAAC=AC,x=弧AB,且S△AOB<S扇形OAB<S△ODB即,2sinx<2x<2tanx,整理得cosx<xsinx<1(6−1)当−2π<x<0时,cosx与xsinx都不变,所以当0<∣x∣<2π时,不等式6−1都成立当0<∣x∣<2π时,有0<∣1−cosx∣=1−cosx=2sin22x<2(2x)2=2x2即0<1−cosx<2x2当x→0时,2x2→0,由准则I′有x→0limcosx=1所以有不等式6−1和准则I′有x→0limxsinx=1
sin
x
x
\frac{\sin x}{x}
xsinx的图像2-2,:
lim x → 0 sin x x = lim x → 0 tan x x = lim x → 0 arcsin x x = 1 \lim\limits_{x\to 0}\frac{\sin x}{x}=\lim\limits_{x\to 0}\frac{\tan x}{x}=\lim\limits_{x\to 0}\frac{\arcsin x}{x}=1 x→0limxsinx=x→0limxtanx=x→0limxarcsinx=1
推广:若 lim f ( x ) = 0 ,则 lim sin f ( x ) f ( x ) = 0 \lim f(x)=0,则\lim \frac{\sin f(x)}{f(x)}=0 limf(x)=0,则limf(x)sinf(x)=0
证明:以
x
→
x
0
为例
x\to x_0为例
x→x0为例
令
t
=
f
(
x
)
,则当
x
→
x
0
时,有
t
→
0
则
lim
x
→
x
0
sin
f
(
x
)
f
(
x
)
=
lim
t
→
0
sin
t
t
=
1
令t = f(x),则当x\to x_0时,有t\to 0 则\\ \lim\limits_{x\to x_0}\frac{\sin f(x)}{f(x)}=\lim\limits_{t\to 0}\frac{\sin t}{t}=1
令t=f(x),则当x→x0时,有t→0则x→x0limf(x)sinf(x)=t→0limtsint=1
准则II:单调有界数列必有极限。
如果数列 { x n } \{x_n\} {xn}满足条件: x 1 ≤ x 2 ≤ x 3 ≤ ⋯ ≤ x n ≤ x n + 1 ≤ ⋯ x_1\le x_2\le x_3\le\cdots\le x_n\le x_{n+1}\le\cdots x1≤x2≤x3≤⋯≤xn≤xn+1≤⋯,
就称数列 { x n } \{x_n\} {xn}是单调增加的;如果数列 { x n } \{x_n\} {xn}满足条件
x 1 ≥ x 2 ≥ x 3 ≥ ⋯ ≥ x n ≥ x n + 1 ≥ ⋯ x_1\ge x_2\ge x_3\ge\cdots\ge x_n\ge x_{n+1}\ge\cdots x1≥x2≥x3≥⋯≥xn≥xn+1≥⋯,
就称数列 { x n } \{x_n\} {xn}是单调减少的。单调增加和单调减少的数列通常为单调数列。
单调有界定理是数列收敛的充分条件。
例1. 证明数列 2 , 2 + 2 , 2 + 2 + 2 , ⋯ \sqrt 2,\sqrt{2+\sqrt 2}, \sqrt{2+\sqrt {2+\sqrt 2}},\cdots 2,2+2,2+2+2,⋯极限存在,并求出其极限。
证明:数列通项 x n = 2 + x n − 1 第一步先证明数列 x n 有界 利用数学归纳法 x 1 = 2 < 2 假设 x k < 2 ,则 x k + 1 = 2 + x k < 2 + 2 = 2 所以数列 x n < 2 即数列 x n 有界 第二步证明数列为单调增加的。 x n + 1 − x n = 2 + x n − x n = ( 2 + x n − x n ) ( 2 + x n + x n ) 2 + x n + x n = ( 1 + x n ) ( 2 − x n ) 2 + x n + x n ,由第一步知道 x n < 2 , 所以 x n + 1 > x n , 即数列 x n 为单调增加数列,则由准则 I I 数列 x n 极限存在。 假设数列 x n 极限为 a ,则对等式 x n + 1 = 2 + x n 求极限得 lim n → ∞ x n + 1 = lim n → ∞ 2 + x n ,得 a = 2 + a , 解方程式得 a = 2 或者 a = − 1 因为 x 1 = 2 > 0 且数列为单调增加数列,所以 数列极限为 2 ,即 lim n → ∞ x n = 2 证明:数列通项 x_n=\sqrt {2+x_{n-1}} \\ 第一步先证明数列{x_n}有界 \\ 利用数学归纳法 x_1=\sqrt 2\lt 2 \\ 假设x_k\lt 2 ,则 \\ x_{k+1}=\sqrt {2+x_k}\lt\sqrt {2+2}=2 所以数列x_n\lt 2 即数列{x_n}有界 \\ 第二步证明数列为单调增加的。 x_{n+1}-x_n=\sqrt {2+x_n}-x_n=\frac{(\sqrt {2+x_n}-x_n)(\sqrt {2+x_n}+x_n)}{\sqrt {2+x_n}+x_n}\\ = \frac{(1+x_n)(2-x_n)}{\sqrt {2+x_n}+x_n} ,由第一步知道 x_n\lt 2 ,所以 \\ x_{n+1}\gt x_n ,即数列{x_n}为单调增加数列,则由准则II数列{x_n}极限存在。 \\ 假设数列{x_n}极限为a,则对等式x_{n+1}=\sqrt {2+x_n}求极限得 \\ \lim\limits_{n\to\infty} x_{n+1}=\lim\limits_{n\to\infty}\sqrt {2+x_n} ,得 \\ a = \sqrt {2+a},解方程式得a=2或者a=-1 因为x_1=\sqrt 2>0且数列为单调增加数列,所以 \\ 数列极限为2,即\lim\limits_{n\to\infty} x_n= 2 证明:数列通项xn=2+xn−1第一步先证明数列xn有界利用数学归纳法x1=2<2假设xk<2,则xk+1=2+xk<2+2=2所以数列xn<2即数列xn有界第二步证明数列为单调增加的。xn+1−xn=2+xn−xn=2+xn+xn(2+xn−xn)(2+xn+xn)=2+xn+xn(1+xn)(2−xn),由第一步知道xn<2,所以xn+1>xn,即数列xn为单调增加数列,则由准则II数列xn极限存在。假设数列xn极限为a,则对等式xn+1=2+xn求极限得n→∞limxn+1=n→∞lim2+xn,得a=2+a,解方程式得a=2或者a=−1因为x1=2>0且数列为单调增加数列,所以数列极限为2,即n→∞limxn=2
准则 I I ′ II^{'} II′:设函数 f ( x ) f(x) f(x)的某个左邻域内单调且有界,则 f ( x ) f(x) f(x)在 x 0 x_0 x0的左极限 f ( x 0 − ) f(x_0^-) f(x0−)必定存在。
下面考虑x取正整数n而趋于
+
∞
+\infty
+∞的情形。
设
x
n
=
(
1
+
1
n
)
n
,
证明数列
x
n
单调增加并且有界。按二项展开式有,
(
1
+
1
n
)
n
=
∑
k
=
0
n
C
n
k
1
n
−
k
1
n
k
,
其中
C
n
k
=
n
!
k
!
(
n
−
k
)
!
,
1
n
−
k
=
1
设x_n=(1+\frac{1}{n})^n,证明数列{x_n}单调增加并且有界。按二项展开式有, \\ (1+\frac{1}{n})^n=\sum_{k=0}^nC_n^k1^{n-k}\frac{1}{n}^k,其中 \\ C_n^k=\frac{n!}{k!(n-k)!} ,1^{n-k}=1 \\
设xn=(1+n1)n,证明数列xn单调增加并且有界。按二项展开式有,(1+n1)n=k=0∑nCnk1n−kn1k,其中Cnk=k!(n−k)!n!,1n−k=1
(
1
+
1
n
)
n
=
1
+
n
1
!
⋅
1
n
+
n
(
n
−
1
)
2
!
⋅
1
n
2
+
⋯
+
n
(
n
−
1
)
(
n
−
2
)
⋯
(
n
−
n
+
1
)
n
!
⋅
1
n
n
=
(1+\frac{1}{n})^n=1+\frac{n}{1!}\cdot \frac{1}{n}+\frac{n(n-1)}{2!}\cdot\frac{1}{n^2}+\cdots+\frac{n(n-1)(n-2)\cdots(n-n+1)}{n!}\cdot\frac{1}{n^n}=\\
(1+n1)n=1+1!n⋅n1+2!n(n−1)⋅n21+⋯+n!n(n−1)(n−2)⋯(n−n+1)⋅nn1=
1
+
1
+
1
2
!
(
1
−
1
n
)
+
⋯
+
1
n
!
(
1
−
1
n
)
(
1
−
2
n
)
⋯
(
1
−
n
−
1
n
)
同理得
(
1
+
1
n
)
n
+
1
=
1
+
1
+
1
2
!
(
1
−
1
n
+
1
)
+
⋯
+
1
n
!
(
1
−
1
n
+
1
)
(
1
−
2
n
+
1
)
⋯
(
1
−
n
−
1
n
+
1
)
+
1
(
n
+
1
)
!
(
1
−
1
n
+
1
)
(
1
−
2
n
+
1
)
⋯
(
1
−
n
n
+
1
)
比较
x
n
和
x
n
+
1
的展开式,可以看到除前
2
项之后,
x
n
+
1
的每一项都大于
x
n
的对应项,并且
x
n
+
1
还多了最后一项,其值大于
0
,
因此
x
n
<
x
n
+
1
这就说明数列
x
n
是单调增加的。把
x
n
的各项展开式括号中用较大的
1
代替得,
x
n
≤
1
+
(
1
+
1
2
!
+
1
3
!
+
⋯
+
1
n
!
)
≤
1
+
(
1
+
1
2
+
1
2
2
+
⋯
+
1
2
n
)
=
3
−
1
2
n
−
1
<
3
这说明数列
x
n
是有界的。根据极限存在准则
I
I
,这个数列
x
n
的极限是存在的,通常用字母
e
表示。
lim
x
→
∞
(
1
+
1
x
)
x
=
e
1+1+\frac{1}{2!}(1-\frac{1}{n})+\cdots+\frac{1}{n!}(1-\frac{1}{n})(1-\frac{2}{n})\cdots(1-\frac{n-1}{n}) \\ 同理得 (1+\frac{1}{n})^{n+1}= 1+1+\frac{1}{2!}(1-\frac{1}{n+1})+\cdots+\frac{1}{n!}(1-\frac{1}{n+1})(1-\frac{2}{n+1})\cdots(1-\frac{n-1}{n+1})+\frac{1}{(n+1)!}(1-\frac{1}{n+1})(1-\frac{2}{n+1})\cdots(1-\frac{n}{n+1}) \\ 比较x_n和x_{n+1}的展开式,可以看到除前2项之后,x_{n+1}的每一项都大于x_n的对应项,并且x_{n+1}还多了最后一项,其值大于0,因此 \\ x_n\lt x_{n+1} \\ 这就说明数列{x_n}是单调增加的。把x_n的各项展开式括号中用较大的1代替得,\\ x_n\le 1+(1+\frac{1}{2!}+\frac{1}{3!}+\cdots+\frac{1}{n!})\le 1+(1+\frac{1}{2}+\frac{1}{2^2}+\cdots+\frac{1}{2^n})\\ =3-\frac{1}{2^{n-1}}\lt 3 \\ 这说明数列{x_n}是有界的。根据极限存在准则II,这个数列{x_n}的极限是存在的,通常用字母e表示。\\ \lim\limits_{x\to\infty}(1+\frac{1}{x})^x=e
1+1+2!1(1−n1)+⋯+n!1(1−n1)(1−n2)⋯(1−nn−1)同理得(1+n1)n+1=1+1+2!1(1−n+11)+⋯+n!1(1−n+11)(1−n+12)⋯(1−n+1n−1)+(n+1)!1(1−n+11)(1−n+12)⋯(1−n+1n)比较xn和xn+1的展开式,可以看到除前2项之后,xn+1的每一项都大于xn的对应项,并且xn+1还多了最后一项,其值大于0,因此xn<xn+1这就说明数列xn是单调增加的。把xn的各项展开式括号中用较大的1代替得,xn≤1+(1+2!1+3!1+⋯+n!1)≤1+(1+21+221+⋯+2n1)=3−2n−11<3这说明数列xn是有界的。根据极限存在准则II,这个数列xn的极限是存在的,通常用字母e表示。x→∞lim(1+x1)x=e
注意:
推广:若 lim f ( x ) = 0 \lim f(x)=0 limf(x)=0,则 lim [ 1 + f ( x ) ] 1 f ( x ) = e \lim[1+f(x)]^{\frac{1}{f(x)}}=e lim[1+f(x)]f(x)1=e
柯西极限存在准则 数列 x n {x_n} xn收敛的充分必要条件是:对于任意给定的正数 ϵ \epsilon ϵ,存在正整数 N N N,使得当 m > N , n > N m\gt N , n\gt N m>N,n>N时,有
∣ x m − x n ∣ < ϵ |x_m-x_n|\lt\epsilon ∣xm−xn∣<ϵ
❓QQ:806797785
⭐️文档笔记地址:https://gitee.com/gaogzhen/math
参考:
[1]同济大学数学系.高等数学 第七版 上册[M].北京:高等教育出版社,2014.7.
[1]黑马程序员.【梨米特】同济七版《高等数学》全程教学视频|纯干货知识点解析,应该是全网最细|微积分 | 高数[CP/OL].2020-04-16.p7.