高等数学 – 数列极限定义 – 笔记

高等数学 – 数列极限定义 – 笔记数列极限定义是个很让我费解的内容,所以花了一下午的时间去理解它,并将得到的结论记录在此。专科级理解,各路大神敬请指教。

大家好,又见面了,我是你们的朋友全栈君。

前言

时间:2021年5月8日
作者:返祖猿

高等数学的开门红——极限是一个很折磨人的概念,于是花了一个下午的时间梳理课文,并将最终结论记录于此。
文内内容皆为作者本人对数列极限的理解,并不保证其正确性,仅供参考!
如有不妥,敬请指教。

课本:《高等数学(上册)(第三版)》
滕桂兰、杨万禄编;天津大学出版社;
节选自 p 33 → p 34 p33\to p34 p33p34

数列极限定义

1. 定义(课文原文)

{ x n } \{x_n\} {
xn}
是一个数列, a a a 是一个定数。

如果对于任意给定的正数 ε ε ε (不管它多么小),总存在正整数 N N N,使得对于 n > N n>N n>N 的一切 x n x_n xn,不等式 ∣ x n − a ∣ < ε |x_n-a|<ε xna<ε 都成立,则称数 a a a 是数列 { x n } \{x_n\} {
xn}
的极限,或称数列 { x n } \{x_n\} {
xn}
收敛于 a a a,记做:

lim ⁡ n → ∞ x n = a \lim\limits_{n\to\infty}x_n=a nlimxn=a,或 x n → a ( n → ∞ ) x_n\to a\quad(n\to\infty) xna(n)

若数列 x n x_n xn 没有极限就称数列是发散的。

2. 重点其一(课文原文)

(1)在定义中 ε > 0 ε>0 ε>0 是任意给定的,这一点非常重要。只有 ε ε ε 具有任意性,才能用不等式 ∣ x n − a ∣ < ε |x_n-a|<ε xna<ε 表达出 x n x_n xn a a a 无限接近的确切含义。

(2)定义中的整数 N N N 的选取与 ε ε ε 有关。一般来说,当给定的 ε ε ε 越小,选取的 N N N 就越大,但定义中的 N N N 不是惟一的,因为极限定义并不要求找到最小的 N N N,而只要存在一个 N N N 就可以了。

(3)数列极限定义,并没有直接提供求数列极限的方法,只能根据极限定义,验证给定的数列 { x n } \{x_n\} {
xn}
是否以 a a a 为极限。

3. 数列 { x n } \{x_n\} {
xn}
a a a 为极限的几何解释(课文原文)

从几何上看,数列 { x n } \{x_n \} {
xn}
是数轴上的一串点, a a a 是数轴上的一个确定点。

在数轴上做出 a a a 点的 ε ε ε 邻域,即开区间 ( a − ε , a + ε ) (a-ε,a+ε) (aε,a+ε)
因绝对值不等式 ∣ x n − a ∣ < ε \quad |x_n-a|<ε xna<ε,
与不等式 a − ε < x n < a + ε \quad a-ε <x_n<a+ε aε<xn<a+ε,
等价,所以当 n > N n>N n>N 时,所有的点 x n x_n xn,都落在 a a a 点的 ε ε ε 邻域内,而只有有限多个点(最多只有N个)落在邻域的外面。这就是 lim ⁡ x → ∞ x n = a \lim\limits_{x\to\infty} x_n=a xlimxn=a 的几何意义(如图)。

a 的 ε 邻域以及落在上面的点

my. 笔记部分

在理解定义之前,首先声明一下内容:

  1. 数列极限在 n → ∞ n\to\infty n 处产生,所以应该着眼于 n n n 越来越大的情况,即数列的后半部分。
  2. 根据课文内容,极限定义只能验证 a a a 是否是数列 x n x_n xn 的极限,所以只从此角度着手。
  3. 图像是用于理解数列极限的强大工具,本文将通过图像来理解定义。

OK,接下来就是 胡言乱语 的部分了。

Ⅰ. 从坐标轴上理解定义

数列 { x n } \{x_n\} {
xn}
的第 n n n 项总可以写成一个与 n n n 有关的式子: x n = f ( n ) x_n = f(n) xn=f(n)
联立不等式: ∣ x n − a ∣ < ε |x_n-a|<ε xna<ε
一般 可以解出 n n n 关于 ε ε ε 的不等式: n > f ( ε ) n>f(ε) n>f(ε)

从图像的角度来看:
ε ε ε 代表了 a a a 邻域的大小,不等式 ∣ x n − a ∣ < ε |x_n-a|<ε xna<ε 的含义即为:满足该不等式的所有 x n x_n xn 都会落在 a a a ε ε ε 邻域中;
那么可以说:所有 n > f ( ε ) n>f(ε) n>f(ε) 都使 x n x_n xn 落在 a a a ε ε ε 邻域中

我们再从数列的角度理解上面这句话:
我们知道,数列 { x n } \{x_n\} {
xn}
的第一项 x 1 x_1 x1 x n x_n xn 为止,它的 n n n 是不断增大的,不断增大的 n n n 即代表了不断向后延续的每一个 x n x_n xn 项;
而从某个 n > f ( ε ) n>f(ε) n>f(ε) 开始,这个 n 及其之后的每一个 x n x_n xn 项都落在 a a a ε ε ε 邻域中。

若上面这句话就此结束,可能让人摸不着二丈头脑,还请稍安勿躁,它要与下面段句话搭配食用。

最后,我们从数列极限的角度去理解:
数列极限一定在 n → ∞ n\to\infty n 处产生,故,需要让 n n n 越来越大,才能看出 x n x_n xn 越来愈接近某个数,这个数就是 a a a,即数列极限;
从图像的角度来看,若 n n n 越来越大,随之 x n x_n xn 越来越接近其级限值 a a a,在图像上就会呈现为:从 n n n 开始的每一项 x n x_n xn 都分布在 a a a 的周围,且随着 n → ∞ n\to\infty n x n x_n xn 所占据的 a a a 的邻域的范围也会越来越小,即 ε → 0 ε\to0 ε0

换言之,若 ε ε ε 越来越小,其对应的 n > f ( ε ) n>f(ε) n>f(ε) 反而越来越大,且不管 n n n 怎么大,其及其之后的所有 x n x_n xn 仍然落在 a a a ε ε ε 邻域中,不就证明 a a a { x n } \{x_n\} {
xn}
的极限了吗?

Ⅱ. 理解定义文字叙述

再回过头来看定义的文字叙述, N N N 是什么呢?
N N N 应该是小于等于 f ( ε ) f(ε) f(ε) 的最大整数,只有这样才能说:对于 n > N n>N n>N 的一切 x n x_n xn,不等式 ∣ x n − a ∣ < ε |x_n-a|<ε xna<ε 都成立。

对于不同的 ε ε ε N N N 的具体值是不确定的,但若数列 { x n } \{x_n\} {
xn}
有极限,不管 ε ε ε 取值多少, N N N 必定是存在的。

Ⅲ. n > f ( ε ) n>f(ε) n>f(ε) f ( ε ) f(ε) f(ε) 的单调性

若以辩证的目光看到这里,想必会看到上文叙述中的漏洞:凭什么说 n n n 会随着 ε ε ε 的变小而增大呢?若 f ( ε ) f(ε) f(ε) 单调递增, n n n 反而会随着 ε ε ε 的变小而变小!

现在来思考一个这样的画面:
a a a ε ε ε 邻域与 f ( ε ) f(ε) f(ε) 无关, ε ε ε 越小, a a a ε ε ε 邻域必然越小,
假设 f ( ε ) f(ε) f(ε) 单调递增,即 n n n ε ε ε 变小,那么 n n n 之后的 x n x_n xn 项就会越来越多,
于是,随着 a a a ε ε ε 邻域变小,落在邻域上的 x n x_n xn 项反而越来越多……

到底是个什么异次元数列才能干出这种事??

所以一般来说, f ( ε ) f(ε) f(ε) 是单调递减的。

明白为什么做这种题总会得到一个又臭又长的分数函数了吧!

Ⅳ. 假设得到了 n < f ( ε ) n<f(ε) n<f(ε) 的不等式

还是从图像的角度来:
ε ε ε 代表了 a a a 邻域的大小,不等式 ∣ x n − a ∣ < ε |x_n-a|<ε xna<ε 的含义即为:满足该不等式的所有 x n x_n xn 都会落在 a a a ε ε ε 邻域中;
若算着算着得到了 n < f ( ε ) n<f(ε) n<f(ε) 这样的不等式,那就说明能够落到 a a a ε ε ε 邻域的只有从 1 1 1 n n n 的几项 x n x_n xn

数列的极限一定在 n → ∞ n\to\infty n 出产生,然而 n n n 项之后的 x n x_n xn 无法落到 a a a ε ε ε 邻域中,那就说明这个数列是发散的。

还有可能是算错了。

大概红字部分的可能性更高。

Ⅴ. 其他

如课文所说,通过数列极限定义只能验证 a a a 是否是数列 { x n } \{x_n\} {
xn}
的极限,而不能直接算出该数列的极限。

需注意, f ( ε ) f(ε) f(ε) 是为了方便叙述写的,定义中并没有这东西。

n n n N N N 并无本质区别,无非一个是泛指,一个是特指。为了避免混乱,大多数情况下使用 n n n 进行叙述。

后语

本来想顺便把函数极限定义写下来的,没曾想把书给放教室里了,那就让我摸个?吧。

不管是数列极限定义还是函数极限定义,其难点都在 N N N ε ε ε σ σ σ X X X 的模糊性中,然而极限这东西本来就挺模糊的,还是应该放宽心态去看待。

各路大神若有指教敬请留言区评论。

再见。

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