好的!我看到了您上传的数学分析教材(第5版上册)的习题部分。让我为您详细讲解这些题目。
思路分析:
这是一个 ∞∞ 型极限,分子分母都趋于无穷。
解题方法:分子分母同时除以 n 的最高次幂
详细步骤:
n→∞limn+34n+2=n→∞limn(1+n3)n(4+n2)=n→∞lim1+n34+n2=1+04+0=4
知识点:当 n→∞ 时,n1→0,nk→0(k为常数)
思路分析:
含有指数项,关键是找出增长最快的项(绝对值最大的底数)
详细步骤:
由于 ∣3∣>∣−2∣,所以 3n 是主导项。分子分母同时除以 3n:
n→∞lim(−2)n+1+3n+1(−2)n+3n=n→∞lim−2⋅(−2)n+3⋅3n(−2)n+3n=n→∞lim−2⋅3n(−2)n+33n(−2)n+1=n→∞lim−2(−32)n+3(−32)n+1
因为 −32<1,所以 (−32)n→0
=−2×0+30+1=31
答案:31
思路分析:
分母中 3n+1 是主导项,分母趋于 +∞
详细步骤:
n→∞lim(−2)n−1+3n+11=n→∞lim3n+1[3n+1(−2)n−1+1]1=n→∞lim3n+1[3n+1(−2)n−1+1]1
由于 3n+1→+∞,且 3n+1(−2)n−1→0
答案:0
思路分析:
这是 ∞−∞ 型不定式,需要有理化
详细步骤:
利用平方差公式:(a−b)=a+ba2−b2
n→∞lim(n2+n−n)=n→∞limn2+n+n(n2+n−n)(n2+n+n)=n→∞limn2+n+nn2+n−n2=n→∞limn2+n+nn
分子分母同时除以 n:
=n→∞lim1+n1+11=1+0+11=21
答案:21
思路分析:
分子是常数和,nc→1(当 c>0 时)
详细步骤:
1+2+⋯+10=210×11=55
n→∞limn55=1
知识点:n→∞limna=1(a>0 为常数)
答案:1
题目:设 liman=a,limbn=b,且 a<b. 证明:存在正数 N,使得当 n>N 时,有 an<bn
证明思路:用 ε−N 语言
详细证明:
取 ε=2b−a>0
因为 liman=a,存在 N1,当 n>N1 时:
∣an−a∣<ε⇒an<a+ε
因为 limbn=b,存在 N2,当 n>N2 时:
∣bn−b∣<ε⇒bn>b−ε
取 N=max{N1,N2},当 n>N 时:
an<a+ε=a+2b−a=2a+b
bn>b−ε=b−2b−a=2a+b
因此 an<2a+b<bn,即 an<bn ✓
题目:设 {an} 为无穷小数列,{bn} 为有界数列,证明:{anbn} 为无穷小数列
证明:
因为 {bn} 有界,存在 M>0,使得 ∣bn∣≤M(对所有 n)
因为 {an} 是无穷小,即 liman=0
对任给 ε>0,存在 N,当 n>N 时:
∣an∣<Mε
于是当 n>N 时:
∣anbn∣=∣an∣∣bn∣≤∣an∣⋅M<Mε⋅M=ε
因此 limanbn=0,即 {anbn} 为无穷小数列 ✓
重要定理:有界数列与无穷小数列的乘积仍为无穷小
太好了!让我继续详细讲解剩下的习题。
思路分析:
需要先化简分子(等差数列求和公式)
详细步骤:
利用等差数列求和公式:1+2+⋯+n=2n(n+1)
n→∞limn(n+1)1+2+3+⋯+n=n→∞limn(n+1)2n(n+1)=n→∞lim21=21
答案:21
思路分析:
这是嵌套根式,需要找出通项公式
详细分析:
设 a1=2=21/2
a2=22=2⋅21/2=23/2=23/4
a3=222=2⋅23/4=27/4=27/8
观察指数规律:21,43,87,⋯
通项公式:an=22n2n−1=21−2n1
对于 2n 个根号:
2na2n=2n21−22n1=22n1−22n1
求极限:
n→∞lim22n1−22n1=2limn→∞2n1=20=1
答案:1
思路分析:
利用平方和公式
详细步骤:
平方和公式:12+22+⋯+n2=6n(n+1)(2n+1)
n→∞limn312+22+⋯+n2=n→∞lim6n3n(n+1)(2n+1)=n→∞lim6n32n3+3n2+n=n→∞lim62+n3+n21=62+0+0=31
答案:31
思路分析:
阶乘增长速度远超指数函数
详细证明:
写出比值:
n!2n=1⋅2⋅3⋯n2⋅2⋅2⋯2
当 n≥3 时:
n!2n=1⋅22⋅2⋅32⋅42⋯n2=2⋅32⋅42⋯n2
0<n!2n≤2⋅32⋅n2=3n8→0
由夹逼定理:n→∞limn!2n=0
答案:0
重要结论:n!≫an(阶乘增长远快于指数)
思路分析:
指数函数增长速度快于任意多项式
详细步骤:
对于充分大的 n,(n+1)100<(2n)100=2100n100
0<2n(n+1)100<2n2100n100=2100⋅2nn100
只需证明 n→∞lim2nn100=0
关键方法:反复应用Stolz定理或者利用二项式展开
当 n>200 时,在 2n=(1+1)n 的二项展开中:
2n>Cn101=101!(n−101)!n!>101!n101
因此:
2nn100<101!n101n100=n101!→0
答案:0
重要结论:an≫nk(指数增长快于多项式,a>1)
思路分析:
根式极限问题,分子分母同除最高次
详细步骤:
n→∞limn4+2n2+1=n→∞limn21+n42n2(1+n21)=n→∞lim1+n421+n21=1+01+0=1
答案:1
题目:设 {an} 与 {bn} 中一个是收敛数列,另一个是发散数列。证明:{an±bn} 是发散数列。又问 {an⋅bn} 是否必为发散数列?
证明(用反证法):
不妨设 {an} 收敛,{bn} 发散。
反证:假设 {an+bn} 收敛
那么 {bn}={(an+bn)−an}
根据收敛数列的运算法则:两个收敛数列的差仍收敛
所以 {bn} 收敛,这与 {bn} 发散矛盾!✗
因此 {an+bn} 必发散。同理可证 {an−bn} 发散。✓
关于 {an⋅bn}:
答案:不一定发散
反例:
- 令 an=0(收敛于0)
- 令 bn=n(发散)
- 则 an⋅bn=0(收敛于0)
结论:当收敛数列收敛于0时,其与发散数列的乘积可能收敛
证明(子列法):
考虑两个子列:
- 偶数项子列:{a2n}={(−1)2n}={1},收敛于1
- 奇数项子列:{a2n−1}={(−1)2n−1}={−1},收敛于-1
由于两个子列收敛于不同极限,根据定理2.8,原数列发散。✓
证明(定义法):
数列为:−1,2,−3,4,−5,6,⋯
显然 ∣an∣=n→∞
若数列收敛,则必为有界数列,但该数列无界,故发散。✓
或用子列法:
- {a2n}={2n}→+∞(发散)
- 有子列发散,则原数列发散。✓
答案:不一定成立
反例:
an={0,1,n 为奇数n 为偶数
- {a2n−1}={0} 收敛于0
- {a2n}={1} 收敛于1
但 {an}=0,1,0,1,⋯ 发散(两个子列极限不同)
正确命题:若 {a2n−1} 和 {a2n} 都收敛且极限相同,则 {an} 收敛
答案:成立
证明思路:
设 lima2n−1=lima2n=lima3n=A
对任意 n,必属于以下三种情况之一:
- n=2k−1(奇数)
- n=2k(偶数)
- n=3k(3的倍数)
等等...实际上需要更细致的分析。
更严谨的证明:
对任给 ε>0:
- 存在 N1,当 n>N1 时,∣a2n−1−A∣<ε
- 存在 N2,当 n>N2 时,∣a2n−A∣<ε
- 存在 N3,当 n>N3 时,∣a3n−A∣<ε
取 N=max{2N1,2N2,3N3}
当 n>N 时,n 必能表示为上述三种形式之一(实际需要用数论知识),从而 ∣an−A∣<ε
因此 {an} 收敛于 A。✓
思路分析:
1∞ 型不定式,化为指数形式
详细步骤:
n→∞lim(2n2n−1)n=n→∞lim(1−2n1)n=n→∞lim[(1−2n1)2n]1/2
利用重要极限:n→∞lim(1+n1)n=e
令 m=−2n,则当 n→∞ 时,m→−∞:
n→∞lim(1−2n1)2n=m→−∞lim(1+m1)m=e−1
因此:
n→∞lim(2n2n−1)n=(e−1)1/2=e−1/2=e1
答案:e1 或 e−1/2
思路分析:
先化简分子
详细步骤:
分子是首项为1,公差为2的等差数列,共 n 项:
1+3+5+⋯+(2n−1)=2n[1+(2n−1)]=n2
n→∞limn!n2=0
理由:当 n≥3 时,
0<n!n2=1⋅2⋅3⋯nn⋅n≤n⋅nn⋅n⋅(n−2)!1
实际上:
n!n2=n(n−1)(n−2)!n2=(n−1)(n−2)!n→0
答案:0
思路分析:
用拉格朗日中值定理或者二项式展开
方法一(中值定理思想):
令 f(x)=xα,则:
(n+1)α−nα=f(n+1)−f(n)
当 0<α<1 时,f′(x)=αxα−1
利用不等式(或拉格朗日中值定理):
f′(n+1)<1f(n+1)−f(n)<f′(n)
即:
α(n+1)α−1<(n+1)α−nα<αnα−1
由于 α−1<0,所以 nα−1→0
由夹逼定理:
n→∞lim[(n+1)α−nα]=0
答案:0
思路分析:
利用平方差公式逐步化简
详细步骤:
设 Pn=(1+α)(1+α2)(1+α4)⋯(1+α2n−1)
利用 (1−α)(1+α)=1−α2:
(1−α)Pn=(1−α)(1+α)(1+α2)⋯(1+α2n−1)
=(1−α2)(1+α2)⋯(1+α2n−1)
=(1−α4)(1+α4)⋯(1+α2n−1)
=⋯=1−α2n
因此:
Pn=1−α1−α2n
由于 ∣α∣<1,所以 α2n→0(n→∞)
n→∞limPn=1−α1−0=1−α1
答案:1−α1
题目:设 a1,a2,…,am 为 m 个正数,证明:
n→∞limna1n+a2n+⋯+amn=max{a1,a2,…,am}
证明:
不妨设 a1=max{a1,a2,…,am},即 a1≥ai(i=2,3,…,m)
则:
a1n≤a1n+a2n+⋯+amn≤m⋅a1n
开 n 次方:
a1≤na1n+a2n+⋯+amn≤nm⋅a1
由于 n→∞limnm=1(m 为常数),所以:
n→∞limnm⋅a1=a1
由夹逼定理:
n→∞limna1n+a2n+⋯+amn=a1=max{a1,a2,…,am}
证毕!✓
题目:设 liman=a。证明:
证明(Stolz定理的应用):
对任给 ε>0,存在 N,当 n>N 时:
∣an−a∣<2ε
对 n>N:
na1+a2+⋯+an−a=n(a1−a)+(a2−a)+⋯+(an−a)
≤n∣a1−a∣+⋯+∣aN−a∣+n∣aN+1−a∣+⋯+∣an−a∣
<n∣a1−a∣+⋯+∣aN−a∣+n(n−N)⋅2ε
当 n 充分大时,第一项 →0,第二项 <2ε
因此原式 <ε,证毕!✓
这个定理叫做"Cesàro平均定理"
证明思路:
取对数:ln(na1a2⋯an)=nlna1+lna2+⋯+lnan
由 liman=a 及对数连续性:limlnan=lna
由 (1) 的结论:
n→∞limnlna1+lna2+⋯+lnan=lna
因此:
n→∞limna1a2⋯an=elna=a
证毕!✓
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极限计算技巧:
- 分子分母同除最高次幂
- 有理化处理 ∞−∞ 型
- 1∞ 型转化为 e 的极限
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重要极限:
- n→∞lim(1+n1)n=e
- n→∞limna=1(a>0)
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增长速度比较:
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证明发散的方法:
- 子列法(找两个极限不同的子列)
- 定义法(证明无界或振荡)
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重要定理:
- Cesàro平均定理
- 夹逼定理
- 定理2.8(子列收敛性)
还有哪道题需要我进一步解释吗?或者您对某个知识点还有疑问?😊