高等微积分笔记 Lesson 7

高等微积分 Lesson 7

国庆之后的第一节课.

习题课时间:(选定一个时间段,内容是一样的)

  1. Mon-6-6A309
  2. Tue-6-3-3104
  3. Thu-6-6A309
  4. Fri-6-6A205
  5. Sat-6-6A203

Stolz-Cesaro Theorem

视为L’Ho^pital\text{L'H}\hat{\text{o}}\text{pital}法则的离散版本.

/Theorem/

/*/\infty型Stolz:设{bn}\{b_n\}严格单调递增且无上界,或limnbn=+\underset{n\to\infty}{\lim}b_n=+\infty,若

limnan+1anbn+1bn=L\underset{n\to\infty}{\lim}\frac{a_{n+1}-a_n}{b_{n+1}-b_n}=L

limnanbn\underset{n\to\infty}{\lim}\frac{a_n}{b_n}存在且等于LL.

题外话:Wiki上面写的是“/*/\infty”,所以老师把上一节课写的“?/?/\infty”改成了“/*/\infty”.

/Proof/

limnan+1anbn+1bn=L\underset{n\to\infty}{\lim}\frac{a_{n+1}-a_n}{b_{n+1}-b_n}=L,知道ε>0\forall\varepsilon>0N0Z+\exist N_0\in\Z_+mN0\forall m\geq N_0

Lε<an+1anbn+1bn<L+εL-\varepsilon<\frac{a_{n+1}-a_n}{b_{n+1}-b_n}<L+\varepsilon

我们现在只有这一条信息. 分式总是难以处理的,化简一下:

(Lε)(bn+1bn)<an+1an<(L+ε)(bn+1bn)(Lε)m=N0n1Δbm<m=N0n1Δam<(L+ε)m=N0n1Δbm(Lε)(bnbN0)<anaN0<(L+ε)(bnbN0)aN0bn+(Lε)(1bN0bn)LHS<anbn<aN0bn+(L+ε)(1bN0bn)RHSLHS=0+(Lε)(10)=Lε>L2εRHS=L+ε<L+2εlimnanbn=L\begin{aligned} &(L-\varepsilon)(b_{n+1}-b_n)<a_{n+1}-a_n<(L+\varepsilon)(b_{n+1}-b_n)\\\\ &(L-\varepsilon)\sum_{m=N_0}^{n-1}\Delta b_m<\sum_{m=N_0}^{n-1}\Delta a_m<(L+\varepsilon)\sum_{m=N_0}^{n-1}\Delta b_m\\\\ &(L-\varepsilon)(b_n-b_{N_0})<a_n-a_{N_0}<(L+\varepsilon)(b_n-b_{N_0})\\\\ &\underset{\text{LHS}}{\frac{a_{N_0}}{b_n}+(L-\varepsilon)(1-\frac{b_{N_0}}{b_n})}<\frac{a_n}{b_n}<\underset{\text{RHS}}{\frac{a_{N_0}}{b_n}+(L+\varepsilon)(1-\frac{b_{N_0}}{b_n})}\\\\ &\text{LHS}=0+(L-\varepsilon)(1-0)=L-\varepsilon>L-2\varepsilon\\\\ &\text{RHS}=L+\varepsilon<L+2\varepsilon\\\\ &\Longrightarrow\underset{n\to\infty}{\lim}\frac{a_n}{b_n}=L \end{aligned}

上面用到:充分大指标保持极限不等式、limnbn=+\underset{n\to\infty}{\lim}b_n=+\infty.

证毕.

/Theorem/

0/00/0型Stolz:设limnan=limnbn=0\underset{n\to\infty}{\lim}a_n=\underset{n\to\infty}{\lim}b_n=0,且{bn}\{b_n\}严格单调递减,若limnan+1anbn+1bn=L\underset{n\to\infty}{\lim}\frac{a_{n+1}-a_n}{b_{n+1}-b_n}=L,则limnanbn=L\underset{n\to\infty}{\lim}\frac{a_n}{b_n}=L.

证明与上面一个定理的证明是类似的,可能还要更加简单,留作练习.

下面的文字是我的拙劣模仿,如有错误请多指教.

/Proof/

仍然从这样的已知条件开始:ε>0\forall\varepsilon>0N0Z+\exist N_0\in\Z_+mN0\forall m\geq N_0

Lε<an1anbn1bn<L+εL-\varepsilon<\frac{a_{n-1}-a_n}{b_{n-1}-b_n}<L+\varepsilon

接下来进行化简. (注意到{bn}\{b_n\}严格单调递减,所以这里会产生负号

Δan=an1an,Δbn=bn1bn(Lε)Δbn<Δan<(L+ε)Δbn(Lε)m=N0n+1Δbm<m=N0n+1Δam<(L+ε)m=N0n+1Δbm(Lε)(bnbN0)<anaN0<(L+ε)(bnbN0)aN0bn+(Lε)(1bN0bn)LHS<anbn<aN0bn+(L+ε)(1bN0bn)RHS\begin{aligned}&\Delta a_n=a_{n-1}-a_n\,,\quad\Delta b_n=b_{n-1}-b_n\\\\&(L-\varepsilon)\Delta b_n<\Delta a_n<(L+\varepsilon)\Delta b_n\\\\&(L-\varepsilon)\sum_{m=N_0}^{n+1}\Delta b_m<\sum_{m=N_0}^{n+1}\Delta a_m<(L+\varepsilon)\sum_{m=N_0}^{n+1}\Delta b_m\\\\&(L-\varepsilon)(b_n-b_{N_0})<a_n-a_{N_0}<(L+\varepsilon)(b_n-b_{N_0})\\\\&\underset{\text{LHS}}{\frac{a_{N_0}}{b_n}+(L-\varepsilon)(1-\frac{b_{N_0}}{b_n})}<\frac{a_n}{b_n}<\underset{\text{RHS}}{\frac{a_{N_0}}{b_n}+(L+\varepsilon)(1-\frac{b_{N_0}}{b_n})}\end{aligned}

我们要求N0N_0\to\inftyn<N0n<N_0,(这里跟上面/*/\infty的证明完全是相反的,包括nnN0N_0的大小关系),可以得到

LHS=0+(Lε)(10)=Lε>L2εRHS=0+(L+ε)(10)=L+ε<L+2εlimnanbn=L\begin{aligned}&\text{LHS}=0+(L-\varepsilon)(1-0)=L-\varepsilon>L-2\varepsilon\\\\&\text{RHS}=0+(L+\varepsilon)(1-0)=L+\varepsilon<L+2\varepsilon\\\\&\Longrightarrow\underset{n\to\infty}{\lim}\frac{a_n}{b_n}=L\end{aligned}

证毕.

/Example/

limnan=L\underset{n\to\infty}{\lim}a_n=L,求limna1++ann\underset{n\to\infty}{\lim}\frac{a_1+\cdots+a_n}{n}.

/Solution/

可以用/*/\infty型的Stolz定理,得到极限值为LL.

/Example/

an>0a_n>0n\forall n,有limnan=A>0\underset{n\to\infty}{\lim}a_n=A>0,则证明:limna1a2ann=A\underset{n\to\infty}{\lim}\sqrt[n]{a_1a_2\cdots a_n}=A

/Proof/

  1. A=0A=0情形. 由limnan=0<r\underset{n\to\infty}{\lim}a_n=0<rr>0r>0,可知N0\exist N_0nN0\forall n\geq N_0,有an<ra_n<r,从而

    0<a1ann(a1aN0)1nrnN0n=RHS0<\sqrt[n]{a_1\cdots a_n}\leq(a_1\cdots a_{N_0})^\frac{1}{n}r^\frac{n-N_0}{n}=\text{RHS}

    limnRHS=1r1=r<2r\underset{n\to\infty}{\lim}\text{RHS}=1\cdot r^1=r<2r,知道nmax{N0,N1}\forall n\geq \max\{N_0,N_1\}0<a1annRHS<2r0<\sqrt[n]{a_1\cdots a_n}\leq\text{RHS}<2r,表明limna1ann=0\underset{n\to\infty}{\lim}\sqrt[n]{a_1\cdots a_n}=0.

  2. A>0A>0,类似,或者bn=lnanb_n=\ln a_n,再使用前例.

证毕.

函数的极限

回忆Newton的流数法,遇到一个式子:

S(x+o)S(x)oh(x)\frac{S(x+o)-S(x)}{o}\approx h(x)

相信当oo越来越接近于00时,LHS\text{LHS}越接近h(x)h(x).

Newton杜撰一个名词:“消失的最终比”,来回避“oo到底是不是00”的问题.

Cauchy第一个定义了“函数极限”,上面的量其实就是函数的极限.

改写一下:上述比值写为f(x)f(x). 关心当xax\to af(x)f(x)是否L\to L.

/Definition/

xax\to af(x)f(x)LL为极限(记为limxaf(x)=L\underset{x\to a}{\lim}f(x)=L),如果ε>0\forall\varepsilon>0δ>0\exist\delta>0,只要0<xa<δ0<|x-a|<\delta,就有f(x)L<ε|f(x)-L|<\varepsilon.

强调:0<xa0<|x-a|,因为讨论极限时只关心aa附近的f(x)f(x),于f(a)f(a)无关,ff甚至可以在aa处无定义.

/Definition/ (开球邻域)

Br(a)={x:d(x,a)<r}B_r(a)=\{x:d(x,a)<r\}称为以aa为心、rr为半径的开球邻域.

题外话:BB是ball的意思

上述定义在一般度量空间中也有效.

由函数极限定义中,关心aa附近ff的行为,有必要定义“何为‘附近’”,由此引入开球邻域的定义.

/Definition/

同理定义去心开球邻域:Br(a){a}B_r(a)|\{a\},或者Br(a)B_r(a)^*.

/Definition/ (函数极限)

ffaa的某个去心邻域中有定义,则称limxaf(x)=L\underset{x\to a}{\lim}f(x)=L \Longleftrightarrow ε>0\forall\varepsilon>0δ>0\exist\delta>0,使得0<xa<δ\forall0<|x-a|<\deltaf(x)L<ε|f(x)-L|<\varepsilon.

注记:limxaf(x)\underset{x\to a}{\lim}f(x)f(a)f(a)无关,只与ff在某个Br(a){a}B_r(a)|\{a\}上的行为有关,只研究xx靠近aaf(x)f(x)的趋势.

一维情况下可定义单侧极限:

/Definition/

左极限:limxaf(x)=L\underset{x\to a-}{\lim}f(x)=L \Longleftrightarrow ε>0\forall\varepsilon>0δ>0\exist\delta>0aδ<x<a\forall a-\delta<x<af(x)L<ε|f(x)-L|<\varepsilon.

右极限:limxa+f(x)=L\underset{x\to a+}{\lim}f(x)=L \Longleftrightarrow ε>0\forall\varepsilon>0δ>0\exist\delta>0a<x<a+δ\forall a<x<a+\deltaf(x)L<ε|f(x)-L|<\varepsilon.

同样地,类似于上面,我们还可以定义x+x\to+\infty时的极限,为ε>0\forall\varepsilon>0M\exist Mx>M\forall x>Mf(x)L<ε|f(x)-L|<\varepsilon,等等.

/Claim/

limxaf(x)\underset{x\to a}{\lim}f(x)存在 \Longleftrightarrow limxaf(x)\underset{x\to a-}{\lim}f(x)limxa+f(x)\underset{x\to a+}{\lim}f(x)存在且相等

/Proof/

  1. 证明\Longrightarrow.

    limxaf(x)=L\underset{x\to a}{\lim}f(x)=L,则ε>0\forall\varepsilon>0δ>0\exist\delta>00<xa<δ\forall0<|x-a|<\deltaf(x)L<ε|f(x)-L|<\varepsilon. 特别地,aδ<x<a\forall a-\delta<x<a,有f(x)L<ε|f(x)-L|<\varepsilon,所以limxaf(x)=L\underset{x\to a-}{\lim}f(x)=L,得证,另一侧同理.

  2. 证明\Longleftarrow.

    limxaf(x)=L=limxa+f(x)\underset{x\to a-}{\lim}f(x)=L=\underset{x\to a+}{\lim}f(x),由左极限定义,知ε>0\forall\varepsilon>0δ1>0\exist\delta_1>0aδ1<x<a\forall a-\delta_1<x<af(x)L<ε|f(x)-L|<\varepsilon. 同理,由右极限定义,知道ε>0\forall\varepsilon>0δ2>0\exist\delta_2>0a<x<a+δ2\forall a<x<a+\delta_2f(x)a<ε|f(x)-a|<\varepsilon.

    于是我们可以把上面两个结论合并,取δ=min{δ1,δ2}\delta=\min\{\delta_1,\delta_2\},有0<xa<δ\forall0<|x-a|<\deltaf(x)L<ε|f(x)-L|<\varepsilon,这表明limxaf(x)=L\underset{x\to a}{\lim}f(x)=L.

证毕.

既然上面已经将左右极限“合并”了,我们接下来考虑“合并”趋于±\pm\infty的极限.

/Definition/

limxf(x)=L\underset{x\to\infty}{\lim}f(x)=L \Longleftrightarrow limxf(x)=limx+f(x)=L\underset{x\to-\infty}{\lim}f(x)=\underset{x\to+\infty}{\lim}f(x)=L

\Longleftrightarrow ε>0\forall\varepsilon>0kR+\exist k\in\R_+x>k|x|>kf(x)L<ε|f(x)-L|<\varepsilon.

函数极限的性质

问:函数极限与序列极限有何关联?

可用序列极限定义函数极限.

/Theorem/ (Heine)

limxaf(x)=L\underset{x\to a}{\lim}f(x)=L \Longleftrightarrow 对任何一个项项不等于aa且趋于aa的数列{xn}\{x_n\}limnf(xn)=L\underset{n\to\infty}{\lim}f(x_n)=L(Claim H)

(用离散靠近aa的方式去探测xx靠近aa的方式.)

/Proof/

  1. \Longrightarrow.

    limxaf(x)=L\underset{x\to a}{\lim}f(x)=L,来证明Claim H. 再设{xna}a\{x_n\neq a\}\to a.

    为此,考虑ε>0\forall\varepsilon>0,由limxaf(x)=L\underset{x\to a}{\lim}f(x)=L定义,知道δ>0\exist\delta>00<xa<δ\forall0<|x-a|<\deltaf(x)L<ε|f(x)-L|<\varepsilon ()(*).

    再由limnxn=a\underset{n\to\infty}{\lim}x_n=a知对于δ>0\forall\delta>0N\exist Nn>N\forall n>Nxna<ε|x_n-a|<\varepsilon.

    结合xnax_n\neq a,知0<xna<δ0<|x_n-a|<\deltanN\forall n\geq N),再由()(*)f(xn)L<ε|f(x_n)-L|<\varepsilon,表明limnf(xn)=L\underset{n\to\infty}{\lim}f(x_n)=L.

  2. \Longleftarrow.

    设Claim H成立,来证明limxaf(x)=L\underset{x\to a}{\lim}f(x)=L. 其实这不是一件很好证明的事情,所以考虑使用反证法:假设当xax\to af(x)f(x)不以LL为极限,把极限的定义之逆命题写出来,也就是ε>0\exist\varepsilon>0δ>0\forall\delta>00<xa<δ\exist0<|x-a|<\delta使得f(x)Lε|f(x)-L|\geq\varepsilon.

    1. 既然是δ>0\forall\delta>0,自然地想到取δ=1/n\delta=1/nnZ+n\in\Z_+,那么0<xna<1/n\exist0<|x_n-a|<1/n使得f(xn)Lε|f(x_n)-L|\geq\varepsilon.

    2. 换一个角度思考,序列{xn}\{x_n\}又满足xnax_n\neq an\forall n,这就说明{xn}\{x_n\}项项非aaa\to a,再应用Claim H能证明:limnf(xn)=L\underset{n\to\infty}{\lim}f(x_n)=L.

    上面两个角度得出的结论是矛盾的. 所以原来的假设不成立,“\Longleftarrow”成立.

证毕.

这个定理非常重要,因为这意味着我们能通过某一种方式实现函数极限与数列极限的一种对应,之前在数列极限中证明的大量结论在函数极限中仍然适用.


高等微积分笔记 Lesson 7
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作者
菲兹克斯喵
发布于
2024年10月9日
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