数学分析课件之第二章数列极限.ppt
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- 数学分析 课件 第二 数列 极限
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1、第二章第二章 数列极限数列极限2.1 数列极限的概念2.2 收敛数列的性质2.3 数列极限存在的条件h2.1 数列极限的概念一、概念的引入二、数列的定义三、数列的极限四、应用数列极限的定义证明数列极限的方法h一、概念的引入一、概念的引入引例 1 如何用渐近的方法求圆的面积S?用圆内接正多边形的面积近似圆的面积S.A1 A2 A3 A1表示圆内接正6边形面积,A2表示圆内接正12边形面积,A3表示圆内接正24边形面积,An表示圆内接正62n-1边形面积,.显然n越大,An越接近于S.因此,需要考虑当n时,An的变化趋势.h2 2、截丈问题:、截丈问题:“一尺之棰,日截其半,万世不竭一尺之棰,日截
2、其半,万世不竭”;211 X第一天截下的杖长为第一天截下的杖长为;212122 X为为第第二二天天截截下下的的杖杖长长总总和和;2121212nnXn 天截下的杖长总和为天截下的杖长总和为第第nnX211 1h二、数列的定义例如例如;,2,8,4,2n;,21,81,41,21n2n21nh注意:注意:1.数列对应着数轴上一个点列数列对应着数轴上一个点列.可看作一可看作一动点在数轴上依次取动点在数轴上依次取.,21nxxx1x2x3x4xnx2.数列是整标函数数列是整标函数).(nfxn;,)1(,1,1,11 n1(1)n;,)1(,34,21,21nnn )1(1nnn ,333,33,3
3、 h数列极限来自实践,它有丰富的实数列极限来自实践,它有丰富的实际背景际背景.我们的祖我们的祖 先很早就对数列先很早就对数列进行了研究,早在战国时期就有了进行了研究,早在战国时期就有了极限的概念极限的概念 例例1 战国时代哲学家庄周所著的庄子战国时代哲学家庄周所著的庄子.天下篇引用天下篇引用过一句话:过一句话:“一尺之棰,日取其半,万世不竭。一尺之棰,日取其半,万世不竭。”也就也就是说一根一尺是说一根一尺 长的木棒,每天截去一半,这样的过程长的木棒,每天截去一半,这样的过程可以一直无限制的进行下去。将每天截后的木棒排成可以一直无限制的进行下去。将每天截后的木棒排成一列一列,如图所示如图所示,三
4、、数列的极限h(c11(k)c11(k))其长度组成的数列为其长度组成的数列为 n21,024681000.20.40.60.81随着随着n 无限的增加无限的增加,木棒的长度无限的趋近于零。木棒的长度无限的趋近于零。h 例如 当n无限增大时,如果数列xn的一般项xn无限接近于常数a,则常数a称为数列xn的极限,或称数列xn收敛a,记为axnnlim.v数列极限的通俗定义11limnnn021limnn1)1(lim1nnnn11limnnn,021limnn,1)1(lim1nnnn.h.)1(11时的变化趋势时的变化趋势当当观察数列观察数列 nnn三、数列的极限h.)1(11时的变化趋势时的
5、变化趋势当当观察数列观察数列 nnn三、数列的极限h.)1(11时的变化趋势时的变化趋势当当观察数列观察数列 nnn三、数列的极限h.)1(11时的变化趋势时的变化趋势当当观察数列观察数列 nnn三、数列的极限h.)1(11时的变化趋势时的变化趋势当当观察数列观察数列 nnn三、数列的极限h.)1(11时的变化趋势时的变化趋势当当观察数列观察数列 nnn三、数列的极限h.)1(11时的变化趋势时的变化趋势当当观察数列观察数列 nnn三、数列的极限h.)1(11时的变化趋势时的变化趋势当当观察数列观察数列 nnn三、数列的极限h.)1(11时的变化趋势时的变化趋势当当观察数列观察数列 nnn三、
6、数列的极限h.)1(11时的变化趋势时的变化趋势当当观察数列观察数列 nnn三、数列的极限h.)1(11时的变化趋势时的变化趋势当当观察数列观察数列 nnn三、数列的极限h.)1(11时的变化趋势时的变化趋势当当观察数列观察数列 nnn三、数列的极限h.)1(11时的变化趋势时的变化趋势当当观察数列观察数列 nnn三、数列的极限h问题问题:当当 无限增大时无限增大时,是否无限接近于某一是否无限接近于某一确定的数值确定的数值?如果是如果是,如何确定如何确定?nxn.1)1(1,1无限接近于无限接近于无限增大时无限增大时当当nxnnn 问题问题:“无限接近无限接近”意味着什么意味着什么?如何用数学
7、语言如何用数学语言刻划它刻划它.1nxnnn11)1(1 通过上面演示实验的观察通过上面演示实验的观察:h,1001给定给定,10011 n由由,100时时只要只要 n,10011 nx有有,10001给定给定,1000时时只要只要 n,1000011 nx有有,100001给定给定,10000时时只要只要 n,100011 nx有有,0 给定给定,)1(时时只要只要 Nn.1成立成立有有 nxh当n无限增大时,xn无限接近于a.当n无限增大时,|xna|无限接近于0.当n无限增大时,|xna|可以任意小,要多小就能有多小.当n增大到一定程度以后,|xna|能小于事先给定的任意小的正数.分析
8、因此,如果 n 增大到一定程度以后,|xna|能小于事先给定的任意小的正数,则当n无限增大时,xn无限接近于常数a.当n无限增大时,如果数列xn的一般项xn无限接近于常数a,则数列xn收敛a.下页hv数列极限的精确定义 设xn为一数列,如果存在常数a,对于任意给定的正数,总存在正整数N,使得当nN 时,不等式|xna|NAAnxn目的:AxANnNAxnnn ,0lim时,有使得自然数要找到一个hNAAA 越来越小,N越来越大!nxnh数列极限的定义未给出求极限的方法数列极限的定义未给出求极限的方法.例例1.1)1(lim1 nnnn证明证明证证1 nx1)1(1 nnnn1,0 任给任给,1
9、 nx要要,1 n只要只要,1 n或或所以所以,1 N取取,时时则当则当Nn 1)1(1nnn就有就有.1)1(lim1 nnnn即即注意:注意:h分 析:例1例 1.证明1)1(lim1nnnn.证明|xn1|nnnn1|1)1(|1,所以1)1(lim1nnnn.下页证证明明 因为 0,证证明明 因为 0,1NN,当 nN 时,有 N,当 nN 时,有 axnnlim 0,NN,当nN时,有|xna|.对于 0,要使|xn1|,只要|xn1|nnnn1|1)1(|1.0,要使|xn1|,只要n1,即1n.h 利用定义验证数列极限,有时遇到的不等式利用定义验证数列极限,有时遇到的不等式|xn
10、a|不易考虑,往往采用把不易考虑,往往采用把|xna|放大的方法。放大的方法。若能放大到较简单的式子,就较容易从一个比较简单若能放大到较简单的式子,就较容易从一个比较简单的不等式去寻找项数指标的不等式去寻找项数指标N放大的原则:放大的原则:放大后的式子较简单放大后的式子较简单 放大后的式子以放大后的式子以0为极限为极限例例 2 证明证明1lim22 nann证明证明1|1|22 nanxn)(222nanna hnan21 )1(22 naan则则若若0 故故 ,1max2aN 则当则当n N时,有时,有nannan22211 n11lim22 nannh例例3.证证明明 分析,要使分析,要使
11、 (为简为简化,限定化,限定 n只要只要 证证.当当 n N 时有时有由定由定义义 适当予先限定适当予先限定 nn。是允。是允许许的!但最后取的!但最后取 N 时时要保要保证证nn。343lim22nnnnnnn1241234322212n33,12max,0N取nnnn12412343222343lim22nnnh.例例4.证证明明 (K为为正正实实数)数)证证:由于:由于 所以对任意所以对任意0,取,取N=,当当 nN时时,便有便有 01limknnkknn101k11 01kn01limknnh例例5.lim),(CxCCxnnn 证明证明为常数为常数设设证证Cxn CC ,成立成立 ,
12、0 任给任给所以所以,0,n对于一切自然数对于一切自然数.limCxnn 说明说明:常数列的极限等于同一常数常数列的极限等于同一常数.小结小结:用定义证数列极限存在时用定义证数列极限存在时,关键是任意给关键是任意给定定 寻找寻找N,但不必要求最小的但不必要求最小的N.,0 h例例6.1,0lim qqnn其中其中证明证明证证,0 任给任给,0 nnqx,lnln qn,lnlnqN 取取,时时则当则当Nn ,0 nq就有就有.0lim nnq,0 q若若;00limlim nnnq则则,10 q若若,lnlnqn h例例7.lim,0lim,0axaxxnnnnn 求证求证且且设设证证,0 任
13、给任给.limaxnn 故故,limaxnn ,1 axNnNn时恒有时恒有使得当使得当axaxaxnnn 从而有从而有aaxn a1 h 由上面数列极限的证明可总结出数列由上面数列极限的证明可总结出数列极限证明的步骤:极限证明的步骤:aan2 2 适当放大适当放大 aan,通常放大成,通常放大成 nMaan的形式的形式nM,求出需要的求出需要的 N 1 化简化简 3 3 解解 w总结总结 用定义求极限或证明极限的关键是适当放大不等式,关键的追求有两点,一是把隐性表达式变成显性表达式,在重锁迷雾中看清庐山真面目,二是抓住主要矛盾,舍去次要矛盾;要取舍合理,不能放大得过份。h四四 收敛的否定收敛
14、的否定:aannlim数列 na发散 000,0,naNaa 0nN,有0000,nNaa 0nN,有h五五 数列极限的记註数列极限的记註:1 满足条件满足条件“”的数的数列列:。2 axNnNan ,0 ,limnnnaaa 改变或去掉数列的有限项改变或去掉数列的有限项,不影响数列的不影响数列的收敛性和极限收敛性和极限.重排不改变数列敛散性重排不改变数列敛散性:h3 数列极限的等价定义数列极限的等价定义:)0(,0 :1kkaaNnNnD :2D对对0,c 3:D 对任正整数对任正整数.1 ,maaNnNmn ,nNn Naa h六六 无穷小数列无穷小数列:w定义 极限为0的数列称为无穷小量
15、(无穷小量是指一个极限概念,趋向常数0)w nxnxn命题1.的极限为n 是无穷小量.0axyaxnnn)(nnyaxaa变量有极限的充要条件为它可分解为加一个无穷小量。命题200nnxx无穷小量加绝对值仍为无穷小量。命题30,0nnnnyxMyx无穷小量与有界变量的积仍为无穷小量。命题4hv 小结(1),数列极限的定义;(2),数列极限的几何意义;(3),应用数列极限的定义证明数列极限的方法.h2.2 收敛数列的性质1、唯一性、唯一性2、有界性有界性3、保号性、保号性4、保不等式性、保不等式性5、四则运算、四则运算6、迫敛性、迫敛性7、子数列的收敛性、子数列的收敛性h1、唯一性、唯一性定理定
16、理2.2 2.2 每个收敛的数列只有一个极限每个收敛的数列只有一个极限.证证,lim,limbxaxnnnn 又又设设由定义由定义,使得使得.,021NN ;1 axNnn时恒有时恒有当当;2 bxNnn时恒有时恒有当当 ,max21NNN 取取时有时有则当则当Nn )()(axbxbann axbxnn .2 .时才能成立时才能成立上式仅当上式仅当ba 故收敛数列极限唯一故收敛数列极限唯一.h2、有界性有界性例如例如,;1 nnxn数列数列.2nnx 数列数列数轴上对应于有界数列的点数轴上对应于有界数列的点nx都落在闭区间都落在闭区间,MM 上上.有界有界无界无界h定理定理2.3 2.3 收
17、敛的数列必定有界收敛的数列必定有界.证证,limaxnn 设设由定义由定义,1 取取,1,axNnNn时恒有时恒有使得当使得当则则.11 axan即有即有,1,1,max1 aaxxMN记记,Mxnn 皆有皆有则对一切自然数则对一切自然数 .有界有界故故nx注意:注意:有界性是数列收敛的必要条件有界性是数列收敛的必要条件.推论推论 无界数列必定发散无界数列必定发散.h例例1.)1(1是发散的是发散的证明数列证明数列 nnx证证,limaxnn 设设由定义由定义,21 对于对于,21,成立成立有有时时使得当使得当则则 axNnNn),21,21(,aaxNnn时时即当即当区间长度为区间长度为1.
18、,1,1两个数两个数无休止地反复取无休止地反复取而而 nx不可能同时位于不可能同时位于长度为长度为1的的区间内区间内.,但却发散但却发散是有界的是有界的事实上事实上nxhh0axn20baaxn0byn20babynh2|baaan从而 22babaaanh定理2.6(收敛数列的保号性)如果数列xn收敛于a,且a0(或a0),那么存在正整数N,当nN时,有xn0(或xn0).h推论 如果数列xn从某项起有xn0(或xn0),且数列xn收敛于a,那么a0(或a0).nxnxnxh证证,azaynn使得使得,0,0,021 NN(双逼原理双逼原理)h,1 ayNnn时恒有时恒有当当,2 azNnn
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