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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

limnan=L\lim_{n \to \infty} a_n = L
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Rigorous notation, full derivation, hypotheses

概念和性质

核心问题

"给定数列 (an)(a_n),当 nn \to \infty 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 limnan=L\lim_{n \to \infty} a_n = L

"一个序列 {an}\{a_n\} 收敛到实数 LL 当且仅当,对于每个 ε>0\varepsilon > 0 存在整数 NN 使得若 n>Nn > N,则 anL<ε|a_n - L| < \varepsilon。" — OpenStax Calculus Volume 2, §5.1

著名极限

数列极限直观解释
1/n1/n00项逐渐变小
1/nk1/n^k 其中 k>0k > 000同上,更快
qnq^n 其中 q<1\|q\| < 100等比递减(第18课)
qnq^n 其中 q>1\|q\| > 1不存在等比爆炸
(1+1/n)n(1 + 1/n)^ne2,71828e \approx 2{,}71828欧拉数
nn\sqrt[n]{n}11通过对数
nk/ann^k / a^n 其中 a>1a > 100指数胜过多项式
n!/nnn! / n^n00nnn^n 增长快于阶乘

极限的运算

liman=A\lim a_n = Alimbn=B\lim b_n = B(均为有限):

lim(an±bn)=A±B,lim(anbn)=AB,limanbn=AB (B0)\lim(a_n \pm b_n) = A \pm B,\quad \lim(a_n \cdot b_n) = A \cdot B,\quad \lim\frac{a_n}{b_n} = \frac{A}{B}\ (B \neq 0)
(1)
what this means · 和的极限等于极限的和 — 在两个极限都存在且有限的所有情况下成立。

不收敛的数列

  • 趋向于 ±\pm\inftyan=na_n = nan=2na_n = 2^n
  • 无限摆动an=(1)na_n = (-1)^n — 在 111-1 之间交替。
  • 有界但无极限an=sinna_n = \sin n — 有界但不收敛。

夹逼定理(Sandwich)

"夹逼定理:若对所有 nNn \geq Nanbncna_n \leq b_n \leq c_nlimnan=limncn=L\lim_{n\to\infty} a_n = \lim_{n\to\infty} c_n = L,则 limnbn=L\lim_{n\to\infty} b_n = L。" — Lebl, Basic Analysis I, §2.1

单调有界准则

图形:收敛和发散

收敛:a_n = 1/n → 0nL=0发散:a_n = (-1)^nn项聚集在L=0周围项交替 — 无极限

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%)

Application 15Understanding 10Modeling 7Challenge 1Proof 2
  1. Ex. 19.1Application

    limn1/n\lim_{n \to \infty} 1/n

  2. Ex. 19.2ApplicationAnswer key

    limn1/n2\lim_{n \to \infty} 1/n^2

  3. Ex. 19.3ApplicationAnswer key

    limn(1/2)n\lim_{n \to \infty} (1/2)^n

  4. Ex. 19.4Application

    limn2n\lim_{n \to \infty} 2^n(或论证其发散)。

  5. Ex. 19.5Application

    limn(n+1)/n\lim_{n \to \infty} (n+1)/n

  6. Ex. 19.6ApplicationAnswer key

    limn(3n+5)/(n+2)\lim_{n \to \infty} (3n + 5)/(n + 2)

  7. Ex. 19.7Application

    limnn/2n\lim_{n \to \infty} n/2^n

  8. Ex. 19.8Application

    limn5/n3\lim_{n \to \infty} 5/n^3

  9. Ex. 19.9Application

    limn(2n2+3)/(n2+1)\lim_{n \to \infty} (2n^2 + 3)/(n^2 + 1)

  10. Ex. 19.10Application

    用夹逼定理求 limn(1)n/n\lim_{n \to \infty} (-1)^n/n

  11. Ex. 19.11Application

    limn(n+1n)\lim_{n \to \infty} (\sqrt{n+1} - \sqrt{n})

  12. Ex. 19.12ApplicationAnswer key

    limn(1+1/n)n\lim_{n \to \infty} (1 + 1/n)^n

  13. Ex. 19.13Application

    limn1/n\lim_{n \to \infty} 1/\sqrt{n}

  14. Ex. 19.14Application

    limn(3n1)/(2n+5)\lim_{n \to \infty} (3n - 1)/(2n + 5)

  15. Ex. 19.15Application

    用夹逼定理求 limnsin(n)/n\lim_{n \to \infty} \sin(n)/n

  16. Ex. 19.16Understanding

    判断 an=(1)n+1/na_n = (-1)^n + 1/n 是否收敛。证明。

  17. Ex. 19.17Understanding

    limn(1)n\lim_{n \to \infty} (-1)^n 或论证其不存在。

  18. Ex. 19.18Understanding

    判断 an=2+(0,5)na_n = 2 + (-0{,}5)^n 是否收敛,若是,收敛到什么。

  19. Ex. 19.19UnderstandingAnswer key

    判断 an=cos(nπ)a_n = \cos(n\pi) 是否收敛。证明。

  20. Ex. 19.20Understanding

    limn(1+2/n)n\lim_{n \to \infty} (1 + 2/n)^n

  21. Ex. 19.21Understanding

    数列 an=1+1/2+1/3++1/na_n = 1 + 1/2 + 1/3 + \ldots + 1/n(调和级数部分和)是否收敛?

  22. Ex. 19.22Understanding

    limnnsin(1/n)\lim_{n \to \infty} n \sin(1/n)

  23. Ex. 19.23Understanding

    判断 an=n!/nna_n = n!/n^n 是否收敛。

  24. Ex. 19.24Understanding

    limnsin(n)/n\lim_{n \to \infty} \sin(n)/n 并与前一题的 limnnsin(1/n)\lim_{n \to \infty} n\sin(1/n) 比较。

  25. Ex. 19.25Understanding

    limn(n+1)2/n3\lim_{n \to \infty} (n+1)^2/n^3

  26. Ex. 19.26ModelingAnswer key

    电容器放电:Vn=V0(0,9)nV_n = V_0 \cdot (0{,}9)^n 每个时间间隔。VnV_n 趋向什么值?

  27. Ex. 19.27Modeling

    迭代:a1=1a_1 = 1an+1=(an+2/an)/2a_{n+1} = (a_n + 2/a_n)/2。它收敛到什么值?

  28. Ex. 19.28Modeling

    冷却定律:Tn=25+50(0,9)nT_n = 25 + 50 \cdot (0{,}9)^n。温度趋向什么值?

  29. Ex. 19.29Modeling

    10%年利率每年复利 nn 次给出因子 (1+0,1/n)n(1 + 0{,}1/n)^n。求极限和R$ 10.000投资1年的最终金额。

  30. Ex. 19.30Modeling

    内接于单位圆的 nn 边正多边形的面积:An=(n/2)sin(2π/n)A_n = (n/2)\sin(2\pi/n)。求 limAn\lim A_n

  31. Ex. 19.31ModelingAnswer key

    在统计学中,样本均值 Xˉn\bar X_nnn \to \infty 时趋向什么值?什么定律保证这一点?

  32. Ex. 19.32ModelingAnswer key

    Euler方法的误差用 nn 步衰减为 C/nC/n。它趋向什么值?这对方法的相容性说明什么?

  33. Ex. 19.33Proof

    证明如果数列的极限存在,它是唯一的。

  34. Ex. 19.34Challenge

    a1=1a_1 = 1an+1=2+ana_{n+1} = \sqrt{2 + a_n}。它收敛到什么值?

  35. Ex. 19.35Proof

    证明若 anLa_n \to LL>0L > 0,则存在 NN 使得对所有 nNn \geq Nan>L/2a_n > L/2。(使用 ε=L/2\varepsilon = L/2。)

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。

Updated on 2026-05-11 · Author(s): Clube da Matemática

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