2020-03-03 00:18:31 来源:范文大全收藏下载本文
数列极限和函数极限
极限概念是数学分析中最重要的概念,如连续、导数、积分等都要用极限来定义,而且由极限出发产生的极限方法,是数学分析的最基本的方法.更好的理解极限思想,掌握极限理论,应用极限方法是继续学习数学分析的关键.本文将主要阐述极限的概念、性质、判别方法等问题.1.极限定义
1.1 数列极限定义
设有数列an与常数A,如果对于任意给定的正数(不论它有多么小),总存在正整数N,使得当nN时,不等式anA 都成立,那么就称常数A是数列an的极限,或者称数列an收敛于A,记作limanA.n
读作“当趋n于无穷大时,an的极限等于A或an趋于A”.数列极限存在,称数列an 为收敛数列,否则称为发散数列.
关于数列极限的N定义,着重注意以下几点:
(1)的任意性: 定义中正数的作用在于衡量数列通项an与定数的a接近程度越小,表示接近的越好.而正数可以任意的小,说明an与可a以接近到任何程度,然而,尽管有其任意性,但一经给出,就暂时的被确定下来,以便依靠它来求出N.
(2)N的相应性: 一般说,N随的变小而变大,由此常把N写作N,来强调N是依赖与的,但这并不意味着N是由所唯一决定的,重要的是N的存在性,而不在于它值得大小.另外,定义中nN的也可以改写成nN.
(3)几何意义:对于任何一个以A为中心,为半径的开区间A,A,总可以在数列an中找到某一项aN,使得其后的所有项都位于这个开区间内,而在该区间之外,最多只有an的有限项(N项).
数列是定义在自然数集上的函数,当自变量从小到大依次取自然数时,便得到相应的一系列函数值,其解析表达式为anfn;我们把数列中的n用x来替换后就得到了一个函数fx,数列和函数的区别在于数列中的点是离散的,而函数是连续的,那么类似的我们也有函数极限的定义.
1.2 函数极限定义
1.2.1x时函数的极限:设函数fx为a,上的函数,A为定数,若对任给的0,总存在着正数Ma,使得当xM时有fxA,则称函数fx当
x趋于时以A为极限,记作limfxA.
x
即有limfxA0,M0,xM,有fxA.
x
对应的,我们也有limfxA,limfxA的相应的
x
x
M语言成立.
对于函数极限的M定义着重注意以下几点:
(1)在定义中正数M的作用与数列极限定义中的N类似,表明x充分大的程度;但这里所考虑的是比M大的所有实数x,而不仅仅是正整数n.
(2)当x时,函数fx以A为极限意味着: A的任意小邻域内必含有fx在的某邻域内的全部函数值.
(3)几何意义是:对任给0的,在坐标平面上,平行于x轴的两条直线yA与
yA,围成以直线yA为中心线,宽2为的带形区域;定义中的“当xM时,有fxA”表示:在直线xM的右方,曲线yfx全部落在这个带形区域之内.
1.2.2xx0时函数的极限:设函数fx 在点x0的某一去心邻域U
x;内有
\'0
\'定义,A为定数,如果对于任意给定的正数(无论它多么小),总存在正数,使
得当0xx0时,有fxA,则常数A为函数fx在xx0时的极限,记作limfxA.
xx0
即limfxA0,0,x:x0xx0,有fxA.
xx0
对应的,我们也有limfxA,limfxA的相应的
xx0
xx0
语言成立.
对于函数极限的
定义着重注意以下几点:
N定义中的N,它依赖于,但也不是由所唯
(1)定义中的正数,相当于数列极限
一确定的,一般来说, 愈小, 也相应地要小一些,而且把取得更小些也无妨.(2)定义中只要求函数在的某一空心邻域内有定义,而一般不考虑在点处的函数值是否有意义,这是因为,对于函数极限我们所研究的是当x趋于x0过程中函数值的变化趋势.
(3)定义中的不等式0xx0等价于xUx0;,而不等式fxA等价于fxUA;.于是,
定义又可写成:
任给0,存在0,使得一切xUx0;有fxUA;.或更简单的表为:
任给0,存在0,使得fUx0;UA;.
(4)几何意义是:将极限定义中的四段话用几何语言表述为
对任给0的,在坐标平面上画一条以直线yA为中心线,宽2为的横带,则必存在以直线xx0为中心线、宽为2的数带,使函数yfx的图像在该数带中的部分全部落在横带内,但点x,fx0可能例外(或无意义).
2.极限性质
2.1数列极限的性质
收敛数列有如下性质:
(1)极限唯一性:若数列an收敛,则它只有一个极限.(2)若数列an收敛,则an为有界数列.
(3)若数列an有极限,则其任一子列an也有极限.
\'\'
(4)保号性,即若limana00,则对任何a0,aaa,0,存在正整数N1,
n
n>N1时,ana\'ana\'.
(5)保不等式性:即若an与bn均为收敛数列, 若存在正整数N1,使得当n>N1时有
an
n
n
(6)数列极限的基本公式(四则运算) 设limxn,limyn存在,则
n
n
limxnynlimxnlimyn
nn
n
n
limxnynlimxnlimyn
n
n
xn
xnlimnlimlimyn0nylimynnn
n
limxnlimynxnyn
n
n
2.2函数极限性质
(1)极限唯一性;若极限limfx存在,则此极限是唯一的.
xx0
(2)局部有界性
若limfx存在,则fx在x0的某空心邻域Ux内是有界的,当x0趋于无穷大时,
xx0
亦成立.(3)局部保号性
若limfxA00,则对任何正数rAA,存在Ux0使得对一切
xx0
xUx0有fxr0fxr0,当趋于无穷大时,亦成立.
(4)保不等式性
若limfxA,limgxB,且在某邻域U
xx0
xx0
x;内有fxgx,则
\'0
xx0
limfxlimgx.
xx0
(5)函数极限的基本公式(四则运算)
设limfx,limgx存在,则
xa
xa
limfxgxlimfxlimgx
xaxa
xa
xa
limfxgxlimfxlimgx
xa
xa
fxfxlimxalimlimgx0xagxlimgxxa
xa
通过以上对数列极限与函数极限的介绍,可以知道数列极限与函数极限的本质相同,性质一致.
3.极限的判别法
3.1 数列极限的判别法
(1)单调有界定理:单调有界数列必有极限.
证明:不妨设an为有上界的递增数列.由确界原理,数列an有上确界,记
asupan.下面证明a就是an的极限.事实上,任给0,按上确界的定义,存在数列
an中某一项aN,使得aaN.又由an的递增性,当nN时有
aaNan。
另一方面,由于a是an的一个上界,故对一切an都有anaa 所以当nN时有
aana
这样就证得, limana.
n
同理可证有下界的递减数列必有极限,且极限即为它的下确界.(2) 数列收敛的柯西准则:
数列an收敛的充分必要条件是:对于任意给定的正数,存在着这样的正整数N,使得当m,n>N时,有xnxm.(3) 数列极限的夹逼准则
如果收敛数列an,bn都以为a极限,数列cn满足下列条件: 存在正数N,当n>N时有
ancnbn
则数列cn收敛,且 limcna.
n
3.2函数极限的判别法: (1)函数极限的夹逼准则:
设limfxlimgxA且在某U
xx0
xx0
x;内有
\'0
fxhxgx
则limhxA.
xx0
(2)函数收敛的柯西准则:
xx0
limfx存在的充要条件是:任给, 0,存在正数\',使得对任何
x\',x\"Ux0;,有 fx\'fx\".
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