极限存在准则及两个重要极限

对于极限是否存在来说,有两个重要的准则:夹逼准则和单调有界准则。

准则1:夹逼准则

我们先来看第一个准则:夹逼准则,由于极限分为数列极限和函数极限,所以夹逼准则也分为这两个方面来说。
准则1:如果数列\lbrace x_n \rbrace,\lbrace y_n \rbrace\lbrace z_n \rbrace满足下列条件:
(1)从某项起,即\exist n_0\in \N_+,n>n_0时,有y_n\leq x_n\leq z_n;
(2)\lim_{n\rightarrow\infty}y_n=a,\lim_{n\rightarrow\infty}z_n=a,
那么数列\lbrace x_n \rbrace的极限存在,且\lim_{n\rightarrow\infty}x_n=a.
证明:
因为y_n \rightarrow a,z_n \rightarrow a,所以根据数列极限的定义,\forall \epsilon>0,\exist N_1,当n>N_1时,有|y_n-a|<\epsilon;
对于z_n\exist N_2,当n>N_2时,有|z_n-a|<\epsilon.
N=\max \lbrace n_0,N_1,N_2 \rbrace,则当n>N时,有

|y_n-a|<\epsilon, \quad |z_n-a|<\epsilon

同时成立,即

a-\epsilon<y_n<a+\epsilon, \quad a-\epsilon<z_n<a+\epsilon

同时成立。
又因为当n>N时,x_n介于y_nz_n之间,从而有

a-\epsilon<y_n\leq x_n\leq z_n<a+\epsilon

|x_n-a|<\epsilon

成立。这就证明了\lim_{n\rightarrow\infty}x_n=a

当然,上述准则对于函数极限也成立。
如果:
(1)当x\in \mathring U(x_0,r)时,g(x)\leq f(x)\leq h(x);
(2)\lim_{x\rightarrow x_0}g(x)=A,\lim_{x\rightarrow x_0}h(x)=A
那么\lim_{x\rightarrow x_0}f(x)=A.

以上定理称为夹逼准则,或者夹逼定理

两个重要极限

利用夹逼定理又可以推出一个重要的极限。

\lim_{x\rightarrow 0}\frac{\sin x}{x}=1

证明:如下图,圆的半径为1。

设圆心角\angle AOB=x(0<x<\frac{\pi}{2}),则

\sin x=CB, \quad x=\widehat{AB}, \quad \tan x=AD

从图中很容易看出,三角形AOB的面积<扇形AOB的面积<三角形AOD的面积
所以

\frac{1}{2}\sin x<\frac{1}{2}x<\frac{1}{2}\tan x

\sin x<x<\tan x

在以上不等式中除以\sin xx,得

1<\frac{x}{\sin x}<\frac{1}{\cos x}

\cos x<\frac{\sin x}{x}<1

对以上不等式两边取极限,即得

\lim_{x\rightarrow 0}\frac{\sin x}{x}=1

证毕。

准则2:单调有界准则

第二个准则比较简单,一句话:单调有界数列必有极限。
单调表示数列单调递增或者单调递减。
利用和这个准则可以推出另一个重要极限:

\lim_{x\rightarrow\infty}(1+\frac{1}{x})^x=e

说明:$e$是一个无理数,值为:$e=2.718 281 828 \cdots$
例如,求下列极限

\lim_{x\rightarrow \infty}(1-\frac{1}{x})^x

解:
t=-x,则当x\rightarrow \infty时,t\rightarrow -\infty。于是

\lim_{x\rightarrow \infty}(1-\frac{1}{x})^x=\lim_{t\rightarrow -\infty}(1+\frac{1}{t})^{-t}=\lim_{t\rightarrow -\infty}\frac{1}{(1+\frac{1}{t})^t}=\frac{1}{e}

柯西极限存在准则

前面的单调有界准则给出了数列极限存在的条件,也就是数列收敛的条件,但是收敛数列未必是单调的,所以有柯西极限存在准则。
柯西极限存在准则:数列\lbrace x_n \rbrace收敛的充分必要条件:对于任意给定的正数\epsilon,存在正整数N,使得当m>N,n>N时,有

|x_n-x_m|<\epsilon.

证明:
必要性。
\lim_{n\rightarrow \infty}x_n=a.\forall \epsilon>0,由数列极限的定义,\exist N,当n>N时,有

|x_n-a|<\frac{\epsilon}{2}

同理,当m>N时,有

|x_m-a|<\frac{\epsilon}{2}

因此,当m>N,n>N时,有

\begin{aligned}
|x_n-x_m|&=|(x_n-a)-(x_m-a)| \\
& \leq |x_n-a|+|x_m-a|<\frac{\epsilon}{2}+\frac{\epsilon}{2}=\epsilon
\end{aligned}

充分性。
略。

以上就是极限存在的两个准则,以及由其推出的两个重要极限。

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