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数列极限的定义、应用注意事项、典型思路与实例分析

xwmath 考研竞赛数学 2024-04-26
1、数列极限定义的等价描述形式
定义1:数列收敛于对于任一给定的 ,存在正整数,当时,恒有成立.

定义2:数列收敛于 对于任一给定的 ,存在正整数 ,成立.


定义3:数列收敛于 , , ,成立.


定义4:数列收敛于 对于任一给定的 , ,成立,其中是一个与都无关的正的常数.


2、关于数列定义的有关注意事项

【注1】:只要四个定义右边的任意一种描述成立,就可以直接得到数列收敛的结论成立;同样,如果数列收敛于,则可以写出右边四种等价描述形式,针对不同的问题,选用不同的描述形式帮助求解或验证问题.


【注2】:由于定义中的是用来度量数列与极限值的逼近程度的,所以可小不可大,对于它的取法,在使用定义证明极限时,可以假定其小于某个正数,比如小于1内取值;对于 可大不可小,取法不唯一. 如果满足条件,则为任意正整数)都可以取为定义中的 值. 因此,的取值与有关,但并不是的函数.


3、利用数列极限定义证明极限的步骤与方法

用数列极限定义证明数列收敛于


关键:对于任取的,找到一个符合定义中的

方法:适当放大不等式;

基本步骤

第一步:任取,可以根据后面不等式放大的需要假设它小于某个定值.

第二步:借助适当放大方法放大、简化. 其中放大的方法主要从原绝对值里面的式子出发,当然也可以借助于一些基本不等式来进行放大,目标都是尽可能通过放大,简化绝对值里面的 关系式,使得第三步求解不等式时变得非常简单.

第三步:解关于变量的不等式,得.  如果不能得到这样的结果,则需要重新改写原绝对值不等式.


第四步:取 描述结论:即任取,取,则当时,有恒成立,所以数列收敛于 .


【注3】:在放大不等式的过程中,可能也对的取值有一定的限制,比如必须大于时放大不等式才成立.  这个时候,最后的应该取为

.

4、例题

例1:用数列极限的定义证明:

【参考证明】第一步:任取.

第二步:放大、简化绝对值不等式

第三步:解关于变量的不等式,得

第四步:取描述结论:

任取,取,则当时,

恒成立,所以

【注4】:其实证明过程只需要【 】里面的过程就可以了,因为根据定义,只要对于任意给定的正数,能够找到一个,让不等式在恒成立即可. 所以前面三步其实是探索、寻找的过程,不过实际过程最好包含不等式放大的过程.

例2:用数列极限的定义证明:

【分析】:借助二项式展开,有

右边的和的每一项都为正的,所以当时,只取第六项,则有

,解得. 为了同时保证 ,甚至为了保证也大于,我们可取,其实这样的范围也可以通过设定的取值范围来保证,比如设的取值范围为,则完全可以保证满足以上不等式对的要求.

【参考证明】:任取,取,则当时,

恒成立,所以

例3:用数列极限的定义证明:
【分析1】:不等式法:
【分析2】:借助例2类似放缩法方法,问题转换:

由于,所以当时,有

【注5】:问题转换方法是经常考虑问题的一种方法,尤其是一个数列由另一数列描述的,经常转换问题描述,实现问题求解或验证. 比如

这样由已知,则借助数列极限的四则运算法则可以直接得到结论成立.

【注6】:在没有明确要求使用语言定义描述的情况下,要证明收敛于,则只要验证得到

则基于夹逼准则就验证了收敛于.  其实也可以认为是定义的一种描述形式.

【注7】:借助数列极限的四则运算法则和夹逼定理,有如下结论:


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