第19课 — 数列的直观极限
1/n 趋向于哪里?(1+1/n)^n 呢?数列极限的直观概念——通向第5学期形式极限的第一座桥梁。
Used in: 高中一年级(15岁) · 日本数学I等效课程 — 预览第6章 · 德国第11年级等效课程 — Folgen
Rigorous notation, full derivation, hypotheses
概念和性质
核心问题
"给定数列 ,当 时其项趋向于哪个值(如果存在的话)?"
当该值存在时,我们说数列收敛并写成 。
"一个序列 收敛到实数 当且仅当,对于每个 存在整数 使得若 ,则 。" — OpenStax Calculus Volume 2, §5.1
著名极限
| 数列 | 极限 | 直观解释 |
|---|---|---|
| 项逐渐变小 | ||
| 其中 | 同上,更快 | |
| 其中 | 等比递减(第18课) | |
| 其中 | 不存在 | 等比爆炸 |
| 欧拉数 | ||
| 通过对数 | ||
| 其中 | 指数胜过多项式 | |
| 增长快于阶乘 |
极限的运算
若 和 (均为有限):
不收敛的数列
- 趋向于 :,。
- 无限摆动: — 在 和 之间交替。
- 有界但无极限: — 有界但不收敛。
夹逼定理(Sandwich)
"夹逼定理:若对所有 有 且 ,则 。" — Lebl, Basic Analysis I, §2.1
单调有界准则
图形:收敛和发散
左:收敛数列 — 项聚集在L周围。右:摆动发散 — 无"目标"值。
已解决的例子
Exercise list
35 exercises · 8 with worked solution (25%)
- Ex. 19.1Application
求 。
- Ex. 19.2ApplicationAnswer key
求 。
- Ex. 19.3ApplicationAnswer key
求 。
- Ex. 19.4Application
求 (或论证其发散)。
- Ex. 19.5Application
求 。
- Ex. 19.6ApplicationAnswer key
求 。
- Ex. 19.7Application
求 。
- Ex. 19.8Application
求 。
- Ex. 19.9Application
求 。
- Ex. 19.10Application
用夹逼定理求 。
- Ex. 19.11Application
求 。
- Ex. 19.12ApplicationAnswer key
求 。
- Ex. 19.13Application
求 。
- Ex. 19.14Application
求 。
- Ex. 19.15Application
用夹逼定理求 。
- Ex. 19.16Understanding
判断 是否收敛。证明。
- Ex. 19.17Understanding
求 或论证其不存在。
- Ex. 19.18Understanding
判断 是否收敛,若是,收敛到什么。
- Ex. 19.19UnderstandingAnswer key
判断 是否收敛。证明。
- Ex. 19.20Understanding
求 。
- Ex. 19.21Understanding
数列 (调和级数部分和)是否收敛?
- Ex. 19.22Understanding
求 。
- Ex. 19.23Understanding
判断 是否收敛。
- Ex. 19.24Understanding
求 并与前一题的 比较。
- Ex. 19.25Understanding
求 。
- Ex. 19.26ModelingAnswer key
电容器放电: 每个时间间隔。 趋向什么值?
- Ex. 19.27Modeling
迭代:,。它收敛到什么值?
- Ex. 19.28Modeling
冷却定律:。温度趋向什么值?
- Ex. 19.29Modeling
10%年利率每年复利 次给出因子 。求极限和R$ 10.000投资1年的最终金额。
- Ex. 19.30Modeling
内接于单位圆的 边正多边形的面积:。求 。
- Ex. 19.31ModelingAnswer key
在统计学中,样本均值 当 时趋向什么值?什么定律保证这一点?
- Ex. 19.32ModelingAnswer key
Euler方法的误差用 步衰减为 。它趋向什么值?这对方法的相容性说明什么?
- Ex. 19.33Proof
证明如果数列的极限存在,它是唯一的。
- Ex. 19.34Challenge
,。它收敛到什么值?
- Ex. 19.35Proof
证明若 且 ,则存在 使得对所有 有 。(使用 。)
来源
仅列出直接支撑本课文本和习题的教材。
- Active Calculus — Matt Boelkins · 2024,第2.0版 · EN · CC-BY-NC-SA · §8.1(Sequences)。主要来源 — 通向形式极限的"桥接"方法。
- Basic Analysis I — Jiří Lebl · 2024,v6.0 · EN · CC-BY-SA · §2.1–2.2(Sequences and Limits, Squeeze Theorem, Uniqueness)。技术定理和证明的来源。
- OpenStax — Calculus Volume 2 — Edwin Herman, Gilbert Strang等人 · 2022 · EN · CC-BY-NC-SA · §5.1(Sequences),§5.3(Divergence Tests)。视觉和表格处理。
- Hammack — Book of Proof — Richard Hammack · 2018,第3版 · EN · 免费 · 第7章(Convergence)。习题19.34(嵌套根)的来源。