收敛数列的性质

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§2.2 收敛数列的性质

教学内容:第二章 数列极限——§2.2 收敛数列的性质 教学目标:熟悉收敛数列的性质;掌握求数列极限的常用方法.

教学要求:(1)使学生理解并能证明数列性质、极限的唯一性、局部有界性、保号性、保不等

式性;

(2)掌握并会证明收敛数列的四则运算定理、迫敛性定理,并会用这些定理求某些收敛数列的极限.

教学重点:迫敛性定理及四则运算法则及其应用. 教学难点:数列极限的计算. 教学方法:讲练结合. 教学过程: 引 言

上节引进“数列极限”的定义,并通过例题说明了验证lim n n a a →∞

=的方法,这是极限较基本

的内容,要求掌握.为了学习极限的技巧及其应用极限来解决问题.还需要对数列的性质作进一步讨论.

一、收敛数列的性质

性质1(极限唯一性) 若数列}

{n a 收敛,则它的极限唯一.

证法一 假设b a 与都是数列

}

{n a 的极限,则由极限定义,对0>∀ε,12,N N ∃∈¥

,当

1N n >时,有 ε<-a a n ; 2N n >时,有 ε<-b a n . 取),m ax (21N N N =,则当N n >时有

ε

2|||||)()(|||<-+-≤---=-b a a a a a b a b a n n n n ,

由ε的任意性,上式仅当b a =时才成立. 证法二 (反证)假设

}

{n a 极限不唯一,即至少有两个不相等的极限值,设为b a ,

a

a n n =∞

→lim , b a n n =∞→lim 且b a ≠故不妨设b a <,取

02>-=

a

b ε, 由定义,

1N ∃∈¥

,当1N n >时有

ε<-a a n ⇒

2b a a a n +=

+<ε. 又

2N ∃∈¥

,当2N n >时有 ε<-b a n

2b a b a n +=

->ε,

因此,当),m ax (21N N n >时有 n n a b

a a <+<

2 矛盾,因此极限值必唯一. 性质2(有界性) 如果数列}

{n a 收敛,则

}

{n a 必为有界数列.即0>∃M ,使对n ∀有 M

a n ≤||

证明 设a

a n n =∞

→lim 取1=ε,0>∃N 使得当N n >时有 1

<-a a n

1

||||||<-≤-a a a a n n

1

||||+

|)

|,|,||,||,|1m ax (21N a a a a M Λ+=

则有对n ∀

M

a n ≤||即数列

}

{n a 有界.

注:①有界性只是数列收敛的必要条件,而非充分条件,如

})1{(n

-. ②在证明时必须分清何时用取定ε,何时用任给ε.上面定理3.2证明中必须用取定ε,

不能用任给ε,否则N 随ε在变,找到的M 也随ε在变,界M 的意义就不明确了.

性质3(保序性) 设a

a n n =∞

→lim ,b

a n n =∞

→lim ,

(1) 若b a >,则存在N 使得当N n >时有

n

n b a >;

(2) 若存在N ,当N n >时有

n

n b a ≥,则b a ≥(不等式性质).

证明 (1)取

02>-=

b a ε,则存在1N ,当1N n >时 2||b

a a a n -<-, 从而

22b

a b a a a n +=--

>.

又存在2N ,当2N n >时

2||b a b b n -<

-⇒22b

a b a b b n +=-+< ⇒ 当),m ax (21N N n >时

n n a b

a b <+<

2.

(2)(反证)如b a <,则由⑴知必N ∃当N n >时n

n b a >这与已知矛盾.

推论(保号性) 若

b

a a n n >=∞

→lim 则N ∃,当N n >时b a n >.特别地,若0lim ≠=∞→a a n n ,则

N ∃,当N n >时n a 与a 同号.

思考 如把上述定理中的n

n b a ≥换成

n

n b a >,能否把结论改成n

n n n b a ∞

→∞

→>lim lim ?

例 设

≥n a (Λ,2,1=n ),若a a n n =∞→lim ,则a a n n =∞→lim

证明 由保序性定理可得 0≥a .若0=a ,则0>∀ε,1N ∃,当

1N n >时有2

ε

a n n ==∞

→0lim .

若0>a ,则0>∀ε,2N ∃,当2N n >时有 εa a a n <-||

ε

<-≤+-=

-a

a a a

a a a a a n n n n |

||||| .

数列较为复杂,如何求极限? 性质4(四则运算法则) 若}

{n a 、

}

{n b 都收敛,则

}

{n n b a +、

}

{n n b a -、

}

{n n b a 也都收敛,

n

n n n n n n b a b a ∞

→∞

→∞

→±=±lim lim )(lim ,n

n n n n n n b a b a ∞→∞→∞→=lim lim lim .

特别地,

n

n n n a c ca ∞

→∞

→=lim lim ,c 为常数如再有0

lim ≠∞→n n b 则

}{n

n b a 也收敛,且

n n n

n n

n n b a b a ∞

→∞→∞→=lim lim lim .

证明 由于

n

n n n b a b a )1(-+=-,n

n n n b a b a 1

⨯=,故只须证关于和积与倒数运算的结论即可.

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