§ 1.1 实数
任何有理数 $r$ 都可以表示为两个整数之商:
$$r = \frac{p}{q}$$
1.1.1 数轴的建立
其中 $p,q\in Z$ 且$q\neq 0$。根据以上定义首先建立数轴:
建立坐标轴后,就可以建立平面和空间坐标系,从而建立解析几何学。
1.1.2 建立数轴后引出的2个问题
问题1. 数轴上每一个点对应一个实数为其坐标,那么每一个实数是否都是数轴上某一点坐标呢?
-
对固定的正整数 $q$,让 $p$ 取遍所有整数,则 $p/q$ 这些数字把数轴分成了长度为 $1/q$ 的区间。
-
令每一个实数 $x$ 位于这些中的一个区间,也就是说对任意固定的实数 $x$ 一定可以找出一个整数 $p$ ,使得,
$$\frac{p}{q} \leq x<\frac{p+1}{q} \qquad (1)$$
由 (1) 可得,
$$ |x-\frac{p}{q}|<\frac{1}{q} $$
即,$\forall x$ ,总能找到一个有理数 $p/q$ 和$x$的距离可以小于 $1/q$ 。
如一个新的实数点 $x’$,要证明 $x-\varepsilon$ 与 $x+\varepsilon$ 之间有无穷多个数,则
$$\left | x-\frac{p}{q}\right | <\frac{1}{q}<\varepsilon \Rightarrow q>\frac{1}{\varepsilon}$$ |
故有,
$$ \left|x-\frac{p}{q}\right|<\varepsilon $$
即找到了一个有理数 $p/q$ 确实落在 $\varepsilon$ 的区间内部。
根据这个问题,我们得到两个结论:
-
有理数在数轴上是稠密的
- 即随便取一个实数,在充分小的区间就能找到无穷多有理数。
- 同样的,在充分小的区间内有一个有理数,也就相当于有无穷多个有理数。
- 任何实数,都可以由无理数来任意逼近
问题2. 有理数是连续的吗?即无理数的引出
例:
若 $n$不是平方数,那么 $\sqrt{n}$ 不是有理数。
证明:假定
$$ \sqrt{n}=\frac{p}{q} $$ 就有, $$ n=\frac{p^{2}}{q^{2}} \quad, \quad p^{2}=n q^{2} \qquad (2) $$
其中,$p$ 和 $q$ 的定义同 问题1。
由 $p/q$ 一定不是整数得到,
$$ m<\frac{p}{q}<m+1 \quad\left(m \in N^{*}\right) \quad \rightarrow \quad mq<p<m q+q $$
即,
$$ 0<p-m q<q $$
由 (2) 得,
$$ p^{2}-p m q=n q^{2}-p m q $$
$$ p(p-m q)=q(n q-p m) \rightarrow \frac{p}{q}=\frac{n q-p m}{p-m q} \quad (3) $$
令 (3) 等于 $p_1/q_1$,由
$$ p-m q>0 \rightarrow q_{1}>0 \rightarrow 0<q_{1}<q $$
$$ p_{1}=\frac{q_{1}}{q} \times p<p $$
推出以下关系式,
$$ \sqrt{n}=\frac{p}{q}=\frac{n q-p m}{p-m q}=\frac{p_{1}}{q_{1}}=\frac{p_{2}}{q_{2}}= \cdots \quad (4) $$
但由于 $p$ 与 $q$ 均为正整数,所以不可能无限制 (4) 中的关系,所以假设不成立,所以 $\sqrt{n}$ 不是有理数。
§ 1.2 无尽小数
任何一个有理数是有穷小数或者无穷循环小数,我们可以从以下实例中得到证明。
$$
\begin{array}{l}
a=1.\dot{2}3\dot{4} =1+0.\dot{2}3 \dot{4}=1+b
b=0 . \dot{2}3\dot{4}
10^{3} b=234. \dot{2}3\dot{4}=234+b
(10^3-1) b=234, \quad b=\frac{234}{999}=\frac{26}{111}
\rightarrow a=1+\frac{26}{111}=\frac{137}{111}
\end{array}
$$
实际上,实数都可以表示为无尽小数。
$$ n. a_{1} a_{2} a_{3}… $$
而实数本身可以分为有理数 (循环小数) 及无理数 (不循环小数)。
数轴上的任何一个点一定对应着一个实数,但大多数在数轴上是对不准的。
这里就引入另外一个定理,区间套定理,如对于点,
$$ a=n.a_{1} a_{2} a_{3} $$
$ \left[a_{1}, a_{2}\right] > \left[a_{1}, b_{2}\right]>\left[a_{3}, b_{3}\right]>\ldots $ 不断循环嵌套下去,存在唯一一个点与之对应。
即实数与数轴上的点是一一对应的。
§ 1.3 收敛和收敛数列
当 $n$ 很大时,$a_{n}$ 无限接近,即
$$ a_{n} \rightarrow a \Rightarrow n \rightarrow \infty时 \lim {i \rightarrow \infty} a{n}=a $$
用一个数轴来描述a的 $\varepsilon$ 邻域,
对 $\forall \varepsilon > 0$,$\exists N \in N^{*}$ 当 $n > N$ 时,
$$ a-\varepsilon<a_{n}<a+\varepsilon $$
当 $n>N$ 时,
$$ a_{1} a_{2} … a_{N}(有限项)|a_{N+1}…(无限项) $$
1.3.1 极限的数学定义
$$ \left|a_{n}-a\right|<\varepsilon \Rightarrow a-\varepsilon<a<a+\varepsilon $$
1.3.2 几个结论及证明
结论一
$$ |q|<1, \quad \lim _{n \rightarrow \infty} q^{n}=0 $$
证明:
-
方法 1
- $q=0$ 时,显然成立
- $q \neq 0$ 时,
$$
\begin{array}{c}
\alpha=\frac{1}{|q|}-1>0, \quad \frac{1}{|q|}=1+\alpha, \quad|q|=\frac{1}{1+\alpha}
\forall \varepsilon>0, \quad \exists N \in N^{*}, \quad n>N \quad\left|q^{n}\right|<\varepsilon
\left|q^{n}\right|=|q|^{n}=\frac{1}{(1+\alpha)^{n}}=\frac{1}{1+n \alpha+\cdots \cdots \alpha^{n}}<\frac{1}{n a}<\varepsilon
n>\frac{1}{\alpha \varepsilon} \quad, \quad N=\left[\frac{1}{\alpha \varepsilon}\right]
\end{array}
$$
- 方法 2
$$ |q|^{n}<\varepsilon, \quad n \cdot \log |q|<\log \varepsilon, \quad n>\frac{\log \varepsilon}{\log |q|}, \quad N=\left[\frac{\log \varepsilon}{\log |q|}\right] $$
结论二
$$ \lim _{n \rightarrow \infty} \sqrt[n]{n}=1 $$
证明:
$$ \forall \varepsilon>0, \quad \exists N, \quad n>N 时, \quad |^{n}\sqrt{n}-1 |<\varepsilon $$
$$ ^n\sqrt{n} = ^n\sqrt{11…1\bigl((n-2)个1\bigr)\sqrt{n}} <\frac{n-2+2 \sqrt{n}}{n}=\frac{n+2(\sqrt{n}-1)}{n}=1+\frac{2(\sqrt{n}-1)}{n} $$
$$ 0 \leqslant {^n\sqrt{n}}-1<\frac{2(\sqrt{n}-1)}{n}=\frac{2(\sqrt{n}-1)}{\sqrt{n} \cdot \sqrt{n}}<\frac{2}{\sqrt{n}} \Rightarrow n>\frac{4}{\varepsilon^{2}} $$
$$ N=\left[\frac{4}{\varepsilon^{2}}\right] $$
总结
$\lim_{n \to \infty} a_{n}=a$的描述方法
$$ \forall \varepsilon>0 \quad \exists N \in N^{*}, \quad \forall n>N,有 \quad\left|a_{n}-a\right|<\varepsilon $$
$\lim_{n \rightarrow \infty} a_{n} \neq a$的描述方法
$$ \exists \varepsilon_0 > 0, \quad 不论 \quad N^* 多大,总是 \exists n > N,有\quad |a_n-a|\geqslant \varepsilon_0 $$
§ 1.4 收敛数列的性质
收敛 $\rightarrow$ 有极限
不收敛 $\rightarrow$ 发散
用数轴来描述 $lim_{n\rightarrow\infty}a_n = a$, 如图:
下面来介绍收敛数列的几个重要的性质。
1.4.1 收敛数列极限的唯一性
- 收敛数列极限是唯一的。
对于这个定理,我们可以首先从数轴上考虑, 如下图所示:
由于b区间内存在有限项,但在a中是无限多项,所以矛盾。
证明如下:
$$ \lim {n \rightarrow \infty} a{n}=a, \quad \lim {n \rightarrow \infty} a{n}=b \quad \Rightarrow \quad a=b $$
$$
\begin{array}{l}
\forall \varepsilon>0, \quad N_{1}, \quad n>N_{1} \quad\left|a_{1}-a\right|<\frac{\varepsilon}{2}
\forall \varepsilon>0, \quad N_{2}, \quad n>N_{2} \quad\left|a_{1}-b\right|<\frac{\varepsilon}{2}
\end{array}
$$
$$ 取\quad N=\max \left(N_{1}, N_{2}\right), n>N\quad时 $$
$$
\begin{array}{c}
|a-b|=\left|a-a_{n}+a_{n}-b\right| \leq\left|a-a_{n}\right|+\left|a_{n}-b\right|<\frac{\varepsilon}{2}+\frac{\varepsilon}{2}=\varepsilon
\Rightarrow a=b
\end{array}
$$
1.4.2 数列的有界性质
首先引出有界的概念:
- $a_n \leq B \Rightarrow$ 有上界
- $a_n \geq A \Rightarrow$ 有下界
- $A \leq a_n \leq B \Rightarrow$ 有界
- $\left|a_n\right|\leq M$
下面为定理1.4.2:
- 数列一定是有界的。
数轴上描述如下,
证明如下,
$$ \lim_{n \rightarrow \infty}a_n = a $$
$$
\begin{array}{c}
\varepsilon = 1,\exists N,n>N时,\left|a_n-a\right|<1
\left|a_n\right|\leq\left|a\right|+1,n>N
取\quad M = |a_1|+|a_2|+…+|a_N|+|a|+1\quad (|a_1|+…+|a_N|代表外面的有限项)
即\quad |a_n|<M,n=1, 2, 3…
\end{array}
$$
1.4.3 子数列的性质
对于一个数列,如下,
$$ a_1,a_2,a_3,…,a_n,… $$
从中选取无穷项称为原来数列的子数列 (不能改变顺序),如下,
$$ a_{k1},a_{k2},a_{k3},a_{k4},…\quad \Rightarrow \quad k_n \geq n $$
定理 1.4.3 如下:
- 设$lim_{n\to\infty}a_n=a$,那么${a_n}$的任何子数列必以 $a$ 为极限。
证明如下:
$$
\begin{array}{c}
\lim_{n\to\infty}a_n=a,a_{kn}=b_n
\varepsilon > 0,\forall\varepsilon > 0,\exists N,当n>N,\left|a_n-a\right|<\varepsilon
n>N时,\left|b_n-a\right| = \left|a_{kn}-a\right|
由 k_n \geq n > N,\left|b_n-a\right|=\left|a_{kn}-a\right|<\varepsilon
\end{array}
$$
定理 1.4.3 有两个应用:
-
根据子数列不收敛来判断原数列不收敛
例 判断 ${(-1)^{n-1}}$ $(1,-1,1,-1,…)$ 的收敛性质。
即通过 (1,1,1,...) 以及 (-1,-1,...) 两个数列收敛的极限不同。
-
判断周期函数是否收敛
例 判断 $a_n=\sin{n}$ 数列是否收敛。
证明:找一个子数列 {$\sin{k_n}$}
$$ k_n\in(n \pi + \frac{\pi}{3},n \pi + \frac{2\pi}{3}),长度为\frac{\pi}{3} > 1 $$
如果一个区间比1大,则这个区间中至少有一个正整数。
$$ k_1 \in (\pi+\frac{\pi}{3},π+\frac{2\pi}{3}) ,k_2 \in (2\pi+\frac{\pi}{3},2\pi+\frac{2\pi}{3}) $$
则有,
$$
\begin{array}{c}
\sin{k_1} < \sin{\pi+\frac{\pi}{3}} = - \frac{\sqrt{3}}{2}
\sin{k_2} > \sin{2\pi+\frac{\pi}{3}}= \frac{\sqrt{3}}{2}
\end{array}
$$
所以,两个子数列收敛到了不同的极限,所以$\sin{n}$不收敛。
1.4.4 极限的运算性质
-
设 ${a_n}$,${b_n}$是两个收敛数列,则
- $\lim(a_n \cdot b_n)=\lim(a_n) \pm \lim(b_n)$
- $\lim(a_n \cdot b_n)=\lim(a_n) \cdot \lim(b_n)$
- $若\lim(b_n) \neq 0,则 \lim{\frac{a_n}{b_n}}=\frac{\lim(a_n)}{\lim(b_n)}$
-
证明 1:$\lim{a_n}=a, \lim{b_n}=b \Rightarrow \lim{(a_n \pm b_n)}=a \pm b$
$$
\begin{array}{c}
\forall \varepsilon >0,\exists N,n>N时,|(a_n+b_n)-(a+b)| < \varepsilon
\forall \varepsilon >0,\exists N_1,n>N_1时,|a_n-a|<\frac{\varepsilon}{2} \quad (1)
\forall \varepsilon >0,\exists N_2,n>N_2时,|b_n-b|<\frac{\varepsilon}{2} \quad (2)
N = max(N_1,N_2),当n>N时,(1)(2)均成立
|(a_n+b_n)-(a+b)| \leq |a_n-a|+|b_n-b| < \frac{\varepsilon}{2} + \frac{\varepsilon}{2}=\varepsilon
\end{array}
$$
- 证明 2:$\lim{a_n}=a,\lim{b_n}=b \Rightarrow \lim{a_n\cdot b_n}=ab$
$$
\begin{array}{c}
\forall \varepsilon >0 \exists N,n > N时,|a_nb_n - ab|< \varepsilon
|a_nb_n - ab|=|a_nb_n-ab_n+ab_n-ab|\leq|a_nb_n-ab_n|+|ab_n-ab|=|b_n||a_n- a|+|a||b_n-b| \quad (1)
假定 |b_n|\leq M,n=1,2…
\varepsilon > 0,\exists N_1,n>N_1时,|b_n-b|<\frac{1}{|a|+1}\cdot \frac{\varepsilon}{2}
\varepsilon > 0,\exists N_2,n>N_2时,|a_n-a|<\frac{\varepsilon}{2M}
当n>N=max(N_1,N_2)时,
(1)式 \Rightarrow |b_n||a_n-a|+|a||b_n-b|\leq M\cdot \frac{\varepsilon}{2M} + |a|\cdot \frac{1}{|a|+1}\cdot \frac{\varepsilon}{2}< \varepsilon
\end{array}
$$
- 证明 3:$\lim\frac{1}{b_n} = \frac{1}{b}$
$$
\begin{array}{c}
\forall \varepsilon >0,\exists N,当n>N时,|\frac{1}{b_n}-\frac{1}{b}|<\varepsilon
\forall \varepsilon > 0,\exists N_1,n > N_1时,|b_n-b|< \frac{|b|}{2} \Rightarrow |b_n| > \frac{|b|}{2} > 0
又令 |b - b_n|< \frac{|b|^2}{2} \cdot \varepsilon
\Rightarrow |\frac{1}{b_n} - \frac{1}{b}|=\frac{|b-b_n|}{b\cdot b_n} < \frac{2|b-b_n|}{|b|\cdot \frac{|b|}{2}} = \frac{2|b-b_n|}{|b|^2}< \frac{2}{|b|^2}\cdot \frac{|b|^2}{2}\cdot \varepsilon = \varepsilon
\end{array}
$$
1.4.5 无穷小的性质
首先引入无穷小量 (无穷小数列) 的概念:
- 若 $\lim_{n\to \infty}a_n = 0$,则称 {$a_n$} 是无穷小量或称为无穷小数列。
下面为定理 1.4.5:
- {$a_n$} 是无穷小 $\Rightarrow$ { $|a_n|$ } 是无穷小
- {$a_n$},{$b_n$}是无穷小,则{$a_n\pm b_n$}
- 若{$c_n$}是有界数列,{$a_n$}是无穷小,则{$c_n\cdot a_n$}是无穷小
- 注意: 如$a_n=\frac{1}{n},b_n=\frac{1}{n^2}$,由于$\frac{a_n}{b_n}=\frac{1}{n} / \frac{1}{n^2} = n$,所以两个无穷小的商可能发散。
- 若 $0\leq a_n\leq b_n$,则当{$bn$}是无穷小量时,{$a_n$}也是无穷小
- $\lim_{n\to\infty}a_n = a \Rightarrow$ {$a_n-a$}是无穷小量
例:
若 $\lim_{n\to\infty}a_n=a,则 \lim\frac{a_1+…a_n}{n} = a$
证明如下:
$$
\begin{array}{c}
设 a=0,\lim_{n\to\infty}a_n=0 \Rightarrow \lim\frac{a_1+…+a_n}{n}=0
\forall \varepsilon > 0,\exists N,n> N时,|\frac{a_1+…+a_n}{n}|<\varepsilon
\forall \varepsilon > 0,\exists N,n> N时,a_n< \frac{\varepsilon}{2} \quad (1) \quad 由 (1)得,
|\frac{a_1+…+a_n}{n}|=|\frac{a_1+…+a_N+a_{N+1}+…+a_n}{n}|\leq \frac{|a_1+…+a_N}{n} + \frac{|a_{N+1}+…+a_n|}{n}\leq \frac{M}{n} + \frac{n-N}{n}\cdot \frac{\varepsilon}{2}< \frac{M}{n}+ \frac{\varepsilon}{2}
即n>N_1>max(N,[\frac{2M}{\varepsilon}])时,(\frac{M}{n}< \frac{\varepsilon}{2},n > \frac{2M}{\varepsilon})
当a \neq 0,令b_n = a_n -a \rightarrow 0
\lim_{n\to\infty}{\frac{b_1+…+b_n}{n}}=\lim{\frac{(a_1-a)+…+(a_n-a)}{n}}=\lim(\frac{a_1+…+a_n}{n}-a)=0
\Rightarrow \lim{\frac{a_1+…+a_n}{n}}=a
\end{array}
$$
1.4.6 夹逼定理
- $若a_n\leq b_n\leq c_n,n \in N^* 且\lim_{n\to\infty}a_n=\lim_{n\to\infty}c_n=a,则 \lim_{n\to\infty} b_n = a$
注:$a_n< b_n< c_n$ 时同样成立。
证明如下:
$$
\begin{array}{c}
0 \leq b_n-a_n \leq c_n-a_n
由 \lim{a_n}=\lim{c_n}
\Rightarrow 0\leq b_n-a_n\leq c_n-a_n \Rightarrow \lim_{n\to\infty}{(b_n-a_n)}=0
\lim_{b\to\infty}{b_n} = \lim{(b_n - a_n + a_n)} = \lim{a_n} \rightarrow a (n \rightarrow \infty)
\end{array}
$$
例:
证明 $a>1,k \in Z^+$ 时,$lim_{n\to\infty}{\frac{n^k}{a^n}}=0$
证明如下:
$$
\begin{array}{c}
当k=1时,令a=1+\alpha,有
0<\frac{n}{a^n}=\frac{n}{(1+\alpha)^n}=\frac{n}{1+n\alpha+\frac{n(n-1)}{2}\cdot\alpha^2+…+\alpha^n}<\frac{n}{\frac{1}{2}\cdot n\cdot (n-1)\cdot \alpha^2}=\frac{2}{(n-1)\cdot \alpha}
\Rightarrow 0<\frac{n}{a^n}<\frac{2}{(n-1)\cdot \alpha}
由夹逼定理得,lim{\frac{n}{a^n}}=0
当k\neq 1时,
\lim\frac{n^k}{a^n}=\lim(\frac{n}{(a^{\frac{1}{k}})^n})^k=\lim(\frac{n}{b^n})^k= 0
\end{array}
$$
例:
$\forall a>0,证明\lim_{n\to\infty}{^n\sqrt{a}}=1$
证明如下:
首先证明 $\lim{^n\sqrt{n}}=1$
$$
\begin{array}{c}
\lim_{n\to\infty}(1\cdot 1\cdot 1\cdot …\sqrt{n}\cdot \sqrt{n})^{\frac{1}{n}}\leq \frac{n-2+2\sqrt{n}}{n}=1+ \frac{2(\sqrt{n}-1)}{n}
\Rightarrow 0\leq n^{\frac{1}{n}}-1 <\frac{2}{\sqrt{n}}
\forall \varepsilon > 0,取N=[\frac{4}{\varepsilon ^2}]
当n>N时,有|n^{\frac{1}{n}}-1|<\frac{2}{\sqrt{n}}<\varepsilon
\Rightarrow \lim_{n\to\infty}{^n\sqrt{n}}=1
当a> 1时,1< ^n\sqrt{a}< ^n\sqrt{n},n> a
\Rightarrow \lim{1}< \lim{^n\sqrt{a}< \lim{^n\sqrt{n}}}
由夹逼定理得,\lim{^n\sqrt{n}}=1
当0< a< 1时,^n\sqrt{a}=\frac{1}{^n\sqrt{\frac{1}{a}}},(n\to\infty)
令b=\frac{1}{a}
\Rightarrow \lim{^n\sqrt{a}} = \lim{\frac{1}{^n\sqrt{b}}}
\end{array}
$$
例:
求 $\lim_{n\to\infty}(n^2-n+2)^{\frac{1}{n}}$
$$
\begin{array}{c}
n^2-n+2=n^2-(n-2)< n^2,n> 2时成立
n>2时,有 n^2> 2(n-1)=2n-2,即 n^2-n+2> n
\Rightarrow n< n^2-n+2=n^2-(n-2)< n^2
\Rightarrow (n)^{\frac{1}{n}}< (n^2-n+2)^{\frac{1}{n}}< (n^2)^{\frac{1}{n}}
\lim{^n\sqrt{n}}=\lim(^n\sqrt{n}\cdot ^n\sqrt{n})= \lim(n^2)^{\frac{1}{n}}=1
\Rightarrow \lim(n^2-n+2)^{\frac{1}{n}}=1
\end{array}
$$
例:
证明 $\lim_{n\to\infty}(\frac{1}{\sqrt{n^2+1}}+ \frac{1}{\sqrt{n^2+2}}+ …+ \frac{1}{\sqrt{n^2+n}})=0$
注意,不能应用极限的运算性质解决无限项的问题
证明如下:
$$
\begin{array}{c}
a_n = \frac{1}{\sqrt{n^2+1}}+ \frac{1}{\sqrt{n^2+2}}+ …+ \frac{1}{\sqrt{n^2+n}}
a_1 = \frac{1}{\sqrt{1+1}},a_2= \frac{1}{\sqrt{5}} + \frac{1}{\sqrt{6}},a_3 = …
\frac{n}{\sqrt{n^2+n}} \leq 原式 \leq \frac{n}{\sqrt{n^2+1}}
\lim{n}{\sqrt{n^2+n}}=\lim{\frac{1}{\sqrt{1+\frac{1}{n}}}}=1=\lim\frac{n}{n^2+1}=\lim\frac{1}{1+\frac{1}{n^2}}
\end{array}
$$
1.4.7 通过不等式表达的收敛数列性质
- $\lim_{a\to\infty}{a_n=a},\alpha < a < \beta,\exists N,当n> N时有,$
$$ \alpha < a_n < \beta $$
- $\lim_{n\to\infty}{a_n=a},\lim_{n\to\infty}{b_n=b},若a< b,则n > N时有,$
$$ a_n < b_n $$
- $\lim_{n\to\infty}{a_n=a},\lim_{n\to\infty}{b_n=b},如果n> N时,a_n \leq b_n时,则有,$
$$ a \leq b $$
$\qquad 证:若a>b,与n> N时,a_n \leq b_n矛盾$
§ 1.5 极限概念的推广
-
$\lim_{n\to\infty}a_n = +\infty$
定义:对$\forall A>0,\exists N,当n> N时,有a_n > A$
-
$\lim_{n\to\infty}a_n = -\infty$
定义:对$\forall A>0,\exists N,当n> N时,有a_n <-A$
-
$\lim_{n\to\infty}a_n = \infty$
定义:对$\forall A>0,\exists N,当n> N时,有|a_n|>A$
如 {$(-1)^n\cdot n$} 这个数列,可以是围绕A点左右跳跃的,如上图所示。