第二讲 收敛原理与重要极限

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水木书院 · 李俊泽 · lijz25@mails.tsinghua.edu.cn

一、知识点与内容提要

2.1.1 上下确界 确界实数连续性

定义 2.1:设 $A$ 为 $\mathbb R$ 的非空子集。

(1) 称 $A$ 的最小上界 $\xi$ 为 $A$ 的上确界,记作 $\xi=\sup A$。

(2) 称 $A$ 的最大下界 $\eta$ 为 $A$ 的下确界,记作 $\eta=\inf A$。

注 2.1:$\xi=\sup A$ 的充要条件是:$\xi$ 是 $A$ 的上界,且 $\forall \varepsilon>0,\exists x\in A,\ x>\xi-\varepsilon$。
$\eta=\inf A$ 的充要条件是:$\eta$ 是 $A$ 的下界,且 $\forall \varepsilon>0,\exists x\in A,\ x<\eta+\varepsilon$。

注 2.2:若 $A$ 无上界,记 $\sup A=+\infty$;若无下界,记 $\inf A=-\infty$。

注 2.3:空集没有上、下确界,约定 $\sup\varnothing=-\infty,\ \inf\varnothing=+\infty$。

备课理解:“要多近有多近”。上确界不是“最大值”,而是“最小上界”;它允许集合中元素无限逼近它,但不一定取到。
2.1.2 Cauchy 列 柯西列收敛原理

定义 2.2:称 $\{x_n\}$ 为 Cauchy 列,若 $\forall\varepsilon>0,\exists N\in\mathbb N$,使 $\forall n,m>N$,都有 $|x_n-x_m|<\varepsilon$。

注 2.4:$\{x_n\}$ 为 Cauchy 列 $\Leftrightarrow \forall\varepsilon>0,\exists N,\forall n>N,\forall p\in\mathbb N$,都有 $|x_n-x_{n+p}|<\varepsilon$。

备课理解:柯西列就是“能够在有限项达到任意有限精度”。极限定义是以最终极限为基准、以任意精度为半径画圆;柯西列是以当前项为基准、以任意精度画圆。每个 $\varepsilon$ 都要落到一个固定 $N$ 上,不能是变动的 $n$。反向用时,按最坏情况:每一步都取等、每一项都迈得最大;若这样的式子发散,原数列自然不可能收敛。
2.1.3 实数系的几个基本定理 确界原理列紧性Cauchy准则

定理 2.1(确界原理):非空有上(下)界的集合必有上(下)确界。

定理 2.2(单调收敛原理):单调有界列必收敛。

定理 2.3(闭区间套定理):若闭区间列 $[a_n,b_n]$ 满足 $[a_{n+1},b_{n+1}]\subset[a_n,b_n]$ 且 $\lim(b_n-a_n)=0$,则存在唯一 $\xi$ 属于所有区间,且 $a_n,b_n\to\xi$。

定理 2.4(有限覆盖定理):有界闭区间 $[a,b]$ 的任意开覆盖有有限子覆盖。

定理 2.5(Bolzano-Weierstrass 列紧性定理):有界列必有收敛子列。

定理 2.6(Cauchy 收敛原理):收敛列 $\Leftrightarrow$ Cauchy 列。

列紧性思路:有界列必有收敛子列。把区间对半开,总有一边含无限多项;不断对半,区间长度趋于 $0$,递推选子列,最终无限逼近一个点。
2.1.4 Stolz 定理 Stolz离散洛必达

定理 2.7(Stolz):设 $\{b_n\}$ 严格单调,$\lim \frac{a_n-a_{n-1}}{b_n-b_{n-1}}=A$。

(1) $\infty/\infty$ 型:若 $\lim b_n=\infty$,则 $\lim \frac{a_n}{b_n}=A$。

(2) $0/0$ 型:若 $\lim a_n=\lim b_n=0$,则 $\lim \frac{a_n}{b_n}=A$。

备课理解:无穷大情形相当于直线,比值自然趋近于斜率;$0/0$ 情形相当于洛必达,从 $0$ 出发,一步迈出去多少,比值就是多少。使用时要检查分母严格单调、差分比值极限存在。
2.1.5 重要极限 e对数

$$\lim_{n\to\infty}\left(1+\frac1n\right)^n=e;\qquad \lim_{n\to\infty}\frac{\ln(1+\frac1n)}{\frac1n}=1.$$

备课理解:用单调有界定理证明 $e$ 的存在性。均值不等式可以给出上下界:左边乘以 $1$,再左边乘以两个 $1/2$。左右两个式子等价,左边取对数就是右边。常与不等式 $$\frac{1}{n+1}<\ln\left(1+\frac1n\right)<\frac1n$$ 配合使用。

二、典型例题

例 2.1 判断正误:Cauchy 列的三个条件 反例放缩

题目:判断正误。若正确,请证明;若错误,请举出反例。

(1) $\lim_{n\to\infty}|x_n-x_{n+p}|=0,\ \forall p\in\mathbb N \Rightarrow \{x_n\}$ 为 Cauchy 列;

(2) $|x_n-x_{n+p}|\le \frac{p}{n},\ \forall p,n\in\mathbb N \Rightarrow \{x_n\}$ 为 Cauchy 列;

(3) $|x_n-x_{n+p}|\le \frac{p}{n^2},\ \forall p,n\in\mathbb N \Rightarrow \{x_n\}$ 为 Cauchy 列。

思路润色:一次式发散,二次式收敛。巴塞尔问题可几何画圆理解。幂函数收敛问题可用积分:去掉第一项,从第二项开始,从 $1$ 开始积分,数列和小于总面积,而总面积有限,所以收敛。
解答:
(1) 错误。反例:$\{\sqrt n\}$、$\{\ln n\}$、$\{\sum_{k=1}^n 1/k\}$。
(2) 错误。反例:调和部分和 $\{\sum_{k=1}^n 1/k\}$。
(3) 正确。取 $p=1$,得 $|x_n-x_{n+1}|\le 1/n^2$。于是 $$|x_n-x_{n+p}|\le \sum_{k=n}^{n+p-1}\frac1{k^2}\le \frac1{n-1}.$$ 对任意 $\varepsilon>0$,取 $N$ 使 $1/(N-1)<\varepsilon$,则 $n>N$ 时 $|x_n-x_{n+p}|<\varepsilon$,故为 Cauchy 列。
例 2.2 递推数列发散到 $+\infty$ 反证Cauchy列

题目:设 $a_1=1$,$a_{n+1}=a_n+\frac1{a_1+a_2+\cdots+a_n}$。求证:$\lim_{n\to\infty}a_n=+\infty$。

思路润色:先归纳证明 $a_{n+1}>a_n\ge1$。要证发散,只需证无上界。反设收敛,则差 $$a_{n+1}-a_n=\frac1{a_1+\cdots+a_n}\ge \frac1{na}.$$ 于是 $a_{2n}-a_n\ge \frac{n}{(2n-1)a}\ge \frac1{2a}$,说明它不是 Cauchy 列,与收敛矛盾。相减大于 $1/(na)$,所以有调和发散的味道。
证明要点:反证有上界推出收敛,再证不是 Cauchy 列,矛盾;故单增无上界,极限为 $+\infty$。
例 2.3 压缩映射不动点定理 压缩映射Cauchy列

题目:设函数 $f$ 在 $[a,b]$ 上有定义,值域 $f([a,b])\subset[a,b]$,且 $$|f(x)-f(y)|\le \alpha|x-y|,\quad \forall x,y\in[a,b],$$ 其中 $0<\alpha<1$。证明:存在唯一 $\xi\in[a,b]$,使 $f(\xi)=\xi$。

思路润色:定义数列:前一项的函数值是后一项,即 $x_n=f(x_{n-1})$。利用压缩条件得到 $$|x_{n+1}-x_n|\le \alpha^n|x_1-x_0|,$$ 再放缩 $|x_{n+p}-x_n|$,得到它是 Cauchy 列,从而收敛。设极限为 $\xi$,对递推式取极限,用约束式得到 $f(\xi)=\xi$。唯一性用双值矛盾:若有两个不动点,则 $|\eta-\xi|\le\alpha|\eta-\xi|<|\eta-\xi|$,矛盾。
结论:存在唯一不动点。此法也提供方程近似求解思路。
例 2.4 递推数列:单调有界求极限 单调有界不动点

题目:$x_1=\sqrt2$,$x_{n+1}=\sqrt2+\frac{x_n-1}{\sqrt2+x_n}$,证明 $\{x_n\}$ 收敛,并求其极限。

思路润色:先看是不是单调。生成函数关于 $x>0$ 为增函数,且 $x_2>x_1$,所以只要开始增就一路增。再找上界 $x_{n+1}<\sqrt2+1$。单调递增有上界,收敛。设极限为 $x$,代入递推式解得 $x=(1+\sqrt5)/2$。
答案:$\lim x_n=\frac{1+\sqrt5}{2}$。
例 2.5 交错级数与 Leibniz 法则雏形 交错级数子列

题目:设 $\{a_n\}$ 严格单调递减,$\lim a_n=0$。令 $b_n=\sum_{k=1}^n (-1)^{k-1}a_k$,证明:$\{b_n\}$ 收敛,且 $\lim b_n

思路润色:交错级数用几何办法理解:先正,然后交错,画图必然收敛,且小于第一项。偶数项子列 $b_{2n}$ 严格递增有上界,奇数项子列 $b_{2n+1}=b_{2n}-a_{2n+1}$ 与之同极限。也可直接用 Cauchy 准则,把相邻差配对放缩。
结论:$\{b_n\}$ 收敛,且 $\lim b_n\le a_1-(a_2-a_3)
例 2.6 奇偶子列夹逼求极限 奇偶子列递推

题目:$a_1>a_2$,$a_{n+2}=\frac{a_n+a_{n+1}}2$,求 $\lim_{n\to\infty}a_n$。

思路润色:差距越来越小,最后可用 Cauchy 列证明收敛。也可直接观察上下震荡:奇偶子列分别单调有界,极限相等。或递推差 $$a_{n+2}-a_{n+1}=-\frac12(a_{n+1}-a_n),$$ 求和得极限。
答案:$\lim a_n=\frac{a_1+2a_2}{3}$。
例 2.7 重要极限、Euler 常数与两个极限 eEuler常数夹逼

题目:已知 $\lim_{n\to\infty}(1+\frac1n)^n=e$。记 $$a_n=\left(1+\frac1n\right)^n,\quad b_n=\left(1+\frac1n\right)^{n+1},\quad c_n=1+\frac12+\cdots+\frac1n-\ln n.$$ 求证:
(1) $\{a_n\}$ 严格单调递增,$\{b_n\}$ 严格单调递减,且 $a_n (2) $\{c_n\}$ 收敛(Euler 常数);
(3) $\lambda_n=\frac1{n+1}+\cdots+\frac1{2n}$,求 $\lim\lambda_n$;
(4) $\mu_n=\frac1{\sqrt{n(n+1)}}+\cdots+\frac1{\sqrt{2n(2n+1)}}$,求 $\lim\mu_n$。

思路润色:第一个已证明,第二个和第一个同源。用伯努利不等式证单调;取对数得 $$\frac1{n+1}<\ln\left(1+\frac1n\right)<\frac1n.$$ $c_n$ 单调递减且有下界 $0$,故收敛。$\lambda_n=c_{2n}-c_n+\ln2\to\ln2$。$\mu_n$ 用夹逼,与 $\lambda_n$ 相近,极限也是 $\ln2$。
答案:(3) $\ln2$;(4) $\ln2$。
例 2.8 算术平均收敛推出调和加权平均收敛 Stolz算术平均

题目:对数列 $\{a_n\}$,记 $A_n=\frac{a_1+a_2+\cdots+a_n}{n}$。若 $\lim A_n=A$,求证: $$\lim_{n\to\infty}\frac1{\ln n}\sum_{k=1}^n \frac{a_k}{k}=A.$$

思路润色:先裂成累加项运算: $$a_n=nA_n-(n-1)A_{n-1}.$$ 于是 $$\sum_{k=1}^n \frac{a_k}{k}=\frac12 A_1+\frac13 A_2+\cdots+\frac1n A_{n-1}+A_n.$$ 最后一项 $A_n/\ln n\to0$。前面部分符合 Stolz,化简用重要极限,全部约掉,极限为 $A$。
结论:成立。
例 2.9 递推 $a_{n+1}=a_n(1-a_n)$ 的渐近估计 Stolz倒数渐近

题目:设 $0 (1) $\lim a_n=0$;
(2) $\lim\left(\frac1{a_{n+1}}-\frac1{a_n}\right)=1$;
(3) $\lim n a_n=1$;
(4) $\lim \frac{n(1-na_n)}{\ln n}=1$。

思路润色:单调下降,大于 $0$,直接极限化,解出 $0$。倒过来裂项: $$\frac1{a_{n+1}}=\frac1{a_n}+\frac1{1-a_n}.$$ 用 Stolz 得 $na_n\to1$。最后一问暴力拆解,提出前面的项,然后 Stolz,代换后上下同时乘以 $n$;乘以 $n$ 是因为 $a_n$ 直接带入会变成 $0$,和下面组合成 $0/0$,所以放大到正常量级操作。
结论:(1) $0$;(2) $1$;(3) $1$;(4) $1$。
例 2.10 上极限与下极限 上下极限子列

题目:设 $\{x_n\}$ 为有界列,令 $$\alpha_n=\sup\{x_n,x_{n+1},\cdots\},\quad \beta_n=\inf\{x_n,x_{n+1},\cdots\}.$$ 证明:
(1) $\lim\alpha_n$ 与 $\lim\beta_n$ 都存在,且 $\lim\alpha_n\ge\lim\beta_n$;
(2) $\lim x_n$ 存在 $\Leftrightarrow$ 上极限等于下极限;
(3) $\forall\varepsilon>0$,在区间 $(\liminf x_n-\varepsilon,\limsup x_n+\varepsilon)$ 之外最多有有限项;
(4) 存在子列收敛到上极限,也存在子列收敛到下极限。

思路润色:这一题一笔带过即可,都是比较显然的结论。$\alpha_n$ 单调递减有界,$\beta_n$ 单调递增有界;用上下确界定义和夹逼处理 (2)(3);用“上确界可逼近”构造子列处理 (4)。
结论:有界列上下极限必存在,且上极限 $\ge$ 下极限;极限存在当且仅当二者相等。

三、习题

2.1 子列收敛但原列发散 构造素数无穷

题目:是否存在发散数列 $\{a_n\}$,使得对任意给定的 $k\ge2$,子列 $\{a_{kn}\}$ 皆收敛?若存在,请举例;若不存在,请说明理由。

思路润色:差异点在于可以变成两个数的乘积,所以用合数列,利用素数、合数的震荡来证明。关键支撑:欧几里得证明素数无穷多。令素数项为 $0$,合数项为 $1$。对固定 $k\ge2$,$kn$ 当 $n\ge2$ 时必为合数,所以子列从第二项起恒为 $1$,收敛;但原数列在 $0,1$ 间无限跳动,发散。
答案:存在。$a_n=0$($n$ 为素数),$a_n=1$($n$ 为合数)。
2.2 递推 $a_{n+1}=a_n/2+1/a_n$ 基本不等式单调有界

题目:已知 $a_1>0$,$a_{n+1}=\frac{a_n}{2}+\frac1{a_n}$,证明 $\{a_n\}$ 收敛,并求 $\lim_{n\to\infty}a_n$。

思路润色:先基本不等式感受大小: $$a_{n+1}\ge 2\sqrt{\frac{a_n}{2}\cdot\frac1{a_n}}=\sqrt2.$$ 于是从第二项起 $a_n\ge\sqrt2$。再算两项差: $$a_{n+1}-a_n=\frac{2-a_n^2}{2a_n}\le0.$$ 所以单调递减有下界。设极限为 $L$,代入递推式解得 $L=\sqrt2$。
答案:$\sqrt2$。
2.3 算术平均与调和平均 平均值单调有界

题目:设 $a_1>b_1>0$。定义 $$a_{n+1}=\frac{a_n+b_n}{2},\quad b_{n+1}=\frac{2a_nb_n}{a_n+b_n},\quad n=1,2,\ldots$$ 试证:数列 $\{a_n\}$ 与 $\{b_n\}$ 都收敛,并求 $\lim a_n$ 与 $\lim b_n$。

思路润色:先 $a-b$,可知 $a$ 比 $b$ 大;由平均值不等式,$a_{n+1}>b_{n+1}$。两者不断取平均、放缩,所以互相靠近。于是 $\{a_n\}$ 单调递减,$\{b_n\}$ 单调递增,且始终 $a_n>b_n$,分别单调有界。设极限为 $a,b$,由 $a_{n+1}=(a_n+b_n)/2$ 得 $a=b$。又 $a_{n+1}b_{n+1}=a_nb_n$,故极限为 $\sqrt{a_1b_1}$。
答案: $$\lim a_n=\lim b_n=\sqrt{a_1b_1}.$$
2.4 正弦迭代 三角函数单调有界

题目:设 $a\in\mathbb R$,$x_1=\sin a$,$x_{n+1}=\sin x_n$。证明:$\{x_n\}$ 收敛,并求其极限。

思路润色:先看前面几项,$-1$ 到 $1$,已经落在单调区间里。在 $[-1,1]$ 上 $|\sin x|\le|x|$,所以 $$|x_{n+1}|=|\sin x_n|\le|x_n|.$$ 不管正负都越来越趋近 $0$,且 $0$ 为下界,所以单调有界。设极限为 $L$,则 $L=\sin L$,唯一解 $L=0$。
答案:$0$。
2.5 连乘与部分和同敛散 取对数放缩

题目:设数列 $\{m_n\}$ 中每一项 $m_n$ 都为正整数,记 $$x_n=\left(1+\frac1{m_1}\right)\left(1+\frac1{m_2}\right)\cdots\left(1+\frac1{m_n}\right),$$ $$y_n=\frac1{m_1}+\frac1{m_2}+\cdots+\frac1{m_n},\quad n\ge1.$$ 试证:$\{x_n\}$ 与 $\{y_n\}$ 同时收敛或同时发散。

思路润色:先转换为对数,处理连乘不习惯。对数里面 $1+$ 分数的两种同源放缩: $$\frac1{m_k+1}<\ln\left(1+\frac1{m_k}\right)<\frac1{m_k}.$$ 注意把 $1$ 放缩到 $m_k$。于是 $\ln x_n$ 与 $y_n$ 同量级,二者都单调递增,所以同时有界或同时无界,即同时收敛或同时发散。
提示:单调收敛原理。
2.6 三角通项求和收敛性 Cauchy准则裂项

题目:设 $a\in\mathbb R$,令 $$x_n=\frac{\sin2a}{2(2+\sin2a)}+\frac{\sin3a}{3(3+\sin3a)}+\cdots+\frac{\sin na}{n(n+\sin na)},\quad n\ge2.$$ 试判断 $\{x_n\}$ 是否收敛。

思路润色:三角其实一般就是 $1$。直接化简得到一个积,然后直接列项即可。具体地, $$\left|\frac{\sin ka}{k(k+\sin ka)}\right|\le \frac1{k(k-1)}=\frac1{k-1}-\frac1k,$$ 所以部分和收敛。
答案:收敛。Cauchy 收敛准则。
2.7 根号乘积部分和收敛 基本不等式Cauchy准则

题目:已知 $u_n\ge0$,$x_n=\sum_{k=1}^n u_k$,$y_n=\sum_{k=1}^n \sqrt{u_k u_{k+1}}$。证明:若 $\{x_n\}$ 收敛,则 $\{y_n\}$ 也收敛。

思路润色:基本不等式,然后右边最多最多直接两倍 $x$ 的极限: $$2\sqrt{u_k u_{k+1}}\le u_k+u_{k+1}.$$ 于是 $$y_n\le \frac12\sum_{k=1}^n(u_k+u_{k+1})\le \sum_{k=1}^n u_k+\frac12 u_{n+1}.$$ 右端有界,$y_n$ 单调递增,故收敛。
提示:Cauchy 收敛准则。
2.8 有界变差与收敛列 有界变差反例

题目:若存在常数 $c\ge0$,使得 $$|x_2-x_1|+|x_3-x_2|+\cdots+|x_n-x_{n-1}|

(1) 证明:有有界变差的数列一定是收敛列。

(2) 试问:收敛列是否都有有界变差?请说明理由。

思路润色:若非柯西列,就按相邻的波动约束:如果没办法比这个小,那么加起来会超过 $c$,故是柯西列收敛。这里给出的是绝对值,所以要充分震荡使得超过 $c$。反例就取正负调和级数: $$1,-1,\frac12,-\frac12,\frac13,-\frac13,\cdots,\frac1n,-\frac1n,\cdots$$ 它收敛到 $0$,但相邻差的和发散。
答案:(1) 用 Cauchy 收敛准则;(2) 不一定,反例如上。
2.9 方程唯一解 导数介值定理

题目:设 $0<\alpha<1$,$\beta\in\mathbb R$。证明:方程 $x-\alpha\cos x=\beta$ 有唯一解。

思路润色:看到三角函数的局限性:最倾斜的地方导数是 $1$,所以无法撼动 $x$ 的增减。令 $f(x)=x-\alpha\cos x-\beta$,则 $$f'(x)=1+\alpha\sin x\ge1-\alpha>0.$$ 故 $f$ 严格单调递增。由连续函数介值定理即可得存在唯一解。
提示:Cauchy 收敛准则或单调性+介值定理。
2.10 重要极限相关不等式 e对数放缩

题目:证明下列不等式:

(1) $\left(\frac ne\right)^n

(2) $\left(1+\frac1n\right)^n>e^{1-1/n}$($n\in\mathbb N$);

(3) $\frac1n-\frac1{n^2}<\ln\left(1+\frac1n\right)<\frac1n$($n\in\mathbb N$);

(4) $0

思路润色:没思路就直接归到重要极限。带入定义式直接出来。(3) 由 $(1+1/n)^n
提示:教材答案提示为“无”,用重要极限与对数不等式展开。
2.11 极限计算 Stolz取对数

题目:求下列极限:

(1) $\displaystyle \lim_{n\to\infty}\frac{1^2+3^2+5^2+\cdots+(2n+1)^2}{n^3}$;

(2) $\displaystyle \lim_{n\to\infty}\frac{1+\frac1{\sqrt2}+\cdots+\frac1{\sqrt n}}{\sqrt n}$;

(3) $\displaystyle \lim_{n\to\infty}\frac{1+\frac12+\cdots+\frac1n}{\ln n}$;

(4) $\displaystyle \lim_{n\to\infty}\sqrt[n]{\frac{n!}{n^n}}$。

思路润色:直接 Stolz,然后看最高次;Stolz;Stolz 然后上下同时乘以 $n$ 其实就好了;取对数然后 Stolz,然后配一配 $n$ 得到 $-1$,最后 $1/e$。
答案:(1) $\frac43$;(2) $2$;(3) $1$;(4) $\frac1e$。
2.12 $a_n/\sqrt{2n}\to1$ Stolz平方

题目:设 $a_1>0$,$a_{n+1}=a_n+\frac1{a_n}$,$n=1,2,\cdots$。证明: $$\lim_{n\to\infty}\frac{a_n}{\sqrt{2n}}=1.$$

思路润色:先看出单增,假设收敛无解,所以发散,只能趋向正无穷。看到根号,先平方,然后回过头来平方前面,然后利用趋向无穷进行化简。具体: $$a_{n+1}^2=a_n^2+2+\frac1{a_n^2}.$$ 用 Stolz: $$\frac{a_n^2}{n}\to2,$$ 所以 $a_n/\sqrt{2n}\to1$。
提示:Stolz 定理。
2.13 Abel 变换与加权平均 Abel变换分部求和

题目:对数列 $\{a_n\}$,$\{p_n\}$,记 $A_n=\sum_{k=1}^n a_k$,试证以下结论:

(1) $\displaystyle \sum_{k=1}^n p_k a_k=p_nA_n-\sum_{k=1}^{n-1}(p_{k+1}-p_k)A_k,\quad \forall n\ge1$。

(2) 若 $\{A_n\}$ 收敛,$\{p_n\}$ 为单调递增的正数列,且 $\lim p_n=+\infty$,则 $$\lim_{n\to\infty}\frac{\sum_{k=1}^n p_k a_k}{p_n}=0.$$

思路润色:画个图解释一下,就是阶梯方块。第二部分先 Abel 变换,然后后面一般就是拆成 $A+(A_k-A)$。前面直接求和相消,变成一个无限逼近 $A$ 的权重;后面一半仔细看:一部分和趋近于 $1$,另外一部分趋近于 $0$,所以又是一个后面长尾其实可以非常小。前面有限多,所以可以这样说:取 $N$ 使得后面差极小,然后乘以前面小于 $1$ 的加权还是极小;然后看前面,只需要 $p_n$ 足够大,前面也是 $\varepsilon$,所以就解决了问题。
提示:Stolz 定理或 Abel 变换 + 长尾估计。

四、答案与提示汇总

汇总 习题 2.1–2.13 答案与提示 答案提示

2.1

$a_n=0$($n$ 是素数),$a_n=1$($n$ 是合数)。

2.2

$\sqrt2$。

2.3

$\lim a_n=\lim b_n=\sqrt{a_1b_1}$。

2.4

$0$。

2.5

单调收敛原理。

2.6

Cauchy 收敛准则。

2.7

Cauchy 收敛准则。

2.8

(1) Cauchy 收敛准则;(2) 不一定,反例:$1,-1,\frac12,-\frac12,\cdots,\frac1n,-\frac1n,\cdots$。

2.9

Cauchy 收敛准则 / 单调性+介值定理。

2.10

无(用重要极限与对数放缩)。

2.11

(1) $\frac43$;(2) $2$;(3) $1$;(4) $\frac1e$。

2.12

Stolz 定理。

2.13

Stolz 定理 / Abel 变换。

五、备课思路总览(润色版)

总览 知识点讲解 + 例题讲解 + 习题讲解 备课思路

知识点讲解

上界定义:要多近有多近。

柯西列:能够在有限项达到任意有限精度。实际上就是两种模式:极限的定义以最终的极限为基准,以任意精度为半径画圆;柯西列的定义以目前的项为基准,以任意精度画圆。反向用只需反驳,所以按照最坏情况:每一步都取等,每一项都迈得最大。如果这个式子发散,原数列自然不可能收敛。注意每个 $\varepsilon$ 都要落到一个 $n$ 上,而不是一个变动的 $n$,因为考量的是某一项向后看的差距。

列紧性定理:有界列必有收敛子列。对半开,总有一边无限,然后依递推,最终达到无限逼近。

Stolz 定理:无穷与 $0$。无穷大相当于直线,比值自然趋近于斜率;$0$ 相当于洛必达,从 $0$ 出发,一步迈出去多少,比值就是多少。

重要极限:证明 $e$ 的极限,用单调有界定理证明 $e$ 的存在性。均值不等式,左边乘以 $1$;均值不等式,左边乘以两个 $1/2$。左右两个式子等价,左边取对数就是右边。

例题讲解要点

2.1:柯西列有一个确定的 $n$ 和 $\varepsilon$ 对应。一次式发散,二次式收敛。巴塞尔问题可几何画圆。幂函数收敛问题用积分:积分出来收敛就收敛;去掉第一项,从第二项开始,从 $1$ 开始积分,数列和小于总面积,并且总面积有限,所以收敛。

2.2:相减大于 $1/(na)$,所以有调和发散。

2.3:定义数列,前一项的函数值是后一项的值;利用柯西列定义得收敛;定义极限,用约束式,知道自变量趋近时函数值也趋近;再用双值矛盾,函数值的差小却又相等,故矛盾。

2.4:看是不是单调。先判断递增还是递减:递减相当于负反馈调节,递增相当于正反馈调节。是正,所以只要开始增就是增,只要开始减就是减。找个上界就是收敛。

2.5:现阶段证明比较乏味,可先不讲。交错级数通过几何办法理解:先正,然后交错,画图,必然收敛,必然小于第一项。

2.6:差距越来越小,所以最后可以用柯西列证明收敛。直接两项相减递推会回到最开始;或者直接理解,上下来回震荡,直接写出最后的式子。

2.7:第一个已经证明,第二个和第一个同源,直接颠倒过来用倒数,然后换元用第一步结论。用两个式子取对数得到不等式,再利用这个式子缩小,得到 $0$,然后相减去、用不等式即得到递减,就可以收敛。直接极限代换就好。两者相差很近,所以直接放大或者放小,然后极限情况夹一下,用到前面的结论。

2.8:先裂成累加项的运算,然后最后一项极限化作用丢失,前面符合 Stolz,然后化简用重要极限,全部都约掉了。

2.9:单调下降,大于 $0$,直接极限化,解出来是 $0$。倒过来裂项,然后直接极限。按照第二项的暗示,然后用 Stolz。暴力拆解,提出一个前面的项,然后 Stolz,代换后上下同时乘以 $n$,难度确实很大。然后分局部看,主要想到乘以 $n$ 就是因为 $a_n$ 直接带入就会变成 $0$,和下面组合就是 $0/0$ 没结果,所以放大到正常的量级来操作。

2.10:一笔带过算了,就是一些显然的结论。

习题讲解要点

2.1:差异,这里可以变成两个数的乘积,所以就是合数列,利用素数、合数的震荡来证明。这里有一个点,如何证明素数无穷多个,就是欧几里得证明法子。

2.2:先基本不等式感受大小,然后算两项差得到一个单调函数,然后根据临界算出单减,所以单调有界,直接取极限就好。

2.3:先 $a-b$,然后就可以知道 $a$ 比 $b$ 大,得到一个平方和。然后由于老是取二者平均,或者说放缩,所以两者靠近。所以二者都是单调有界,分别有极限,极限运算得到相等,最终得到均根。

2.4:先看前面几项,$-1$ 到 $1$,已经落在单调区间里面了,然后用正弦放缩,所以不管正负都是越来越趋近 $0$,然后 $0$ 为界,所以就是单调有界,最后求解只有 $0$。

2.5:先转换为对数,处理连乘不习惯。对数里面 $1+$ 分数的两种同源放缩,然后得到两边,都是的对面,注意把 $1$ 放缩到 $m$。

2.6:三角其实一般就是 $1$。直接化简得到一个积,然后直接列项就可以啦。

2.7:放缩。基本不等式,然后右边最多最多直接两倍 $x$ 的极限。

2.8:若非柯西列,就按相邻的波动约束,如果没办法比这个小,那么加起来会超过 $c$,故是柯西列收敛。这里给出的是绝对值,所以要充分震荡,使得超过 $c$。那么就正负调和级数。

2.9:看到三角函数的局限性,就是最倾斜的地方导数是 $1$,所以无法撼动 $x$ 的增减,求导单调即可,由连续函数介质定理就可以啦。

2.10:没思路就直接归那就好。带入定义式直接出来了。2.3 前面等价,3 后面就是定义式。利用 2 做减法,然后提取 $e$ 用切线放缩,再把 $e$ 放到 3。

2.11:直接 Stolz,然后看最高次;Stolz;Stolz 然后上下同时乘以 $n$ 其实就好了;取对数然后 Stolz,然后配一配 $n$ 得到 $-1$,最后 $1/e$。

2.12:先看出单增,假设收敛无解,所以发散,只能趋向正无穷。看到根号,先平方,然后回过头来平方前面,然后利用趋向无穷进行化简。

2.13:画个图解释一下算了,就是阶梯方块。第二部分先 Abel 变换,然后后面一般就是拆成 $A+(A_k-A)$。前面直接求和相消,变成一个无限逼近 $A$ 的权重;后面一半,仔细看一部分和是趋近于 $1$,另外一部分是趋近于 $0$,所以又是一个后面长尾其实可以非常小。前面有限多,所以可以这样说:取 $N$ 使得后面差极小,然后乘以前面小于 $1$ 的加权还是极小;然后看前面,只需要 $p_n$ 足够大,前面也是 $\varepsilon$,所以就解决了问题。

注:题目、定理、答案提示来自教材 OCR 与备课文档;思路部分做了润色整理。公式由 MathJax 渲染。