MA.Add01.奇奇怪怪的思路和技巧!

写在前面:

Tips

  • 注意讨论分母是否为0
  • 注意讨论极限是否存在
  • 适当讨论是否为0可以化简/求出部分
  • 极限差为0而商不一定为1(a=0不行,a≠0为1(国科大讲义P3)

Contents

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奇奇怪怪但是很重要的东西

数列重要极限

limC=C

lim1nk=0,k>0

limqn=0,|q|<1

liman=1,a>0

limann!=0

limnn=1

证明见#二项式定理

函数重要极限

函数等价无穷小

x→0{x∼sin⁡x∼tan⁡x∼ln⁡(1+x)∼ex−11−cos⁡x∼12x2x2±x3∼x2(1+x)α∼1+αxarctan⁡x∼x

如:看到1+x2−1∼12x2

x→0 次数高=作用小

x→∞{x2+x3∼x3

基本导数表

Pasted image 20231107164802.png


奇奇怪怪的公式

二项式定理

limnn=1(n>1)

Pasted image 20231009113918.png

#和差化积

Tip

绝对值不等式

|a+b|≤|a|+|b|, 当a,b同号

推广:

|a1+a2+⋯+an|≤|a1|+…|an|, 当ai同号||a|−|b||≤|a−b|≤|a|+|b|

即

|两边之差|≤第三边≤两边之和

两边之差小于第三边 + 两边之和大于第三边

伯努利不等式、均值不等式

Bernoulli 不等式

(1+x)n≥1+nx

均值不等式(AGH不等式)

G:最适用于 不全相同但接近

n1x1+1x2+⋯+1xn≤x1x2x3⋯xnn≤x1+x2+x3⋯xnn其中等号当且仅当x1=x2=x3=⋯=xn成立

例题4:设en=(1+1n)n. 证明数列{en}单调递增且en<4.
证明:^1e9a3c

en=(1+1n)(1+1n)⋯(1+1n)⋅1<(n(1+1n)+1n+1)n+1=(n+2n+1)n+1=(1+1n+1)n+1=en+1en=4[(1+1n)(1+1n)…(1+1n)⋅12⋅12]<4(n(1+1n)+12+12n+2)n+2=4

e的泰勒展开

limn→∞nsin⁡(2πn!e)=?

解:
由泰勒公式:e=1+11!+12!+⋯+1n!+1(n+1)!+θn+1(n+1)!(n+1)(0<θn+1<1)

[n!e=n!(1+11!+12!+⋯+1n!)⏟整数部分舍弃+n!(n+1)!+n!θn+1(n+1)!(n+1)]
limn→∞nsin⁡(2πen!)=limn→∞nsin⁡[2πen!−2πn!(1+11!+12!+⋯+1n!)⏞sin⁡(x±2kπ)=sin⁡x,k∈Z]=limn→∞nsin⁡[2πn+1+θn+1(n+1)2]=limn→∞n(2πn+1+θn+1(n+1)2)=2π

奇奇怪怪的证明

#极限与无穷小的转化

Example

若liman=a, limbn=b,
试证明: lima1bn+a2bn−1+⋯+anb1n=ab


#极限与无穷小的转化 + #Cauchy第一定理
证:

e812811aa353ae5d66ae80cd14f5c285.jpeg

#收敛数列保号性

极限除法

#epsilon-N定义 + #收敛数列保号性

证明:
∃N1∈N,

使得∀n>N1, |bn|>|b|2 #收敛数列保号性

∵liman=a

∴∀ε>0, ∃N2∈N, ∀n>N2,

使得|an−a|<|b|4ε…(∗)

类似地, ∃N3∈N, ∀n>N3,

使得|bn−b|<b24|a|+1ε⋯(∗∗)

欲证|anbn−ab|<ε

=|ban−abn||b⋅bn

=|anb−ab+ab−abn||b⋅bn| #分子拆分

≤|b||an−a|+|a||bn−b||b⋅bn|

=|an−a|bn|+|a||b⋅bn|

运用 #收敛数列保号性|bn|>b2
<2|b||an−a|+2|a|b2|bn−b|

<2|b||b|4ε(∗)+2|a|b2b24|a|+1(∗∗) 避免分类讨论

<ε

开方

limanm=am, (a>0,m∈N+)

证明:
|an3−a3|=|an−a|an3+a3<|an−a|an23+an13a13+a23<|an−a|a23

an13a13可以存在运用了 #收敛数列保号性

More about: #次方差展开

#次方差展开

an−bn=(a−b)∑i=0n−1aibn−1−i=(a−b)(bn−1+abn−2+a2bn−3+⋯+an−3b2+an−2b+an−1)=(a−b)(a0bn−1+a1bn−2+⋯+an−2b1+an−1b0)

证明:

an−bn=bn[(ab)n−1]=bn(ab−1)∑i=0n−1(ab)i=(a−bb)bn∑i=0n−1(ab)i=(a−b)⋅bn−1∑i=0n−1(ab)i=(a−b)∑i=0n−1bn−1(ab)i=(a−b)∑i=0n−1aibn−1−i^4e250d

#实数公理 -> #确界原理

令 Y={y|y≥x,∀x∈X}则 M∈Y, 且∀x∈X, y∈Y 有x≤Y运用实数公理:∃ a∈R使 ∀x∈X, y∈Y, 有x≤a≤y(Δ)下证: a=supX∀x∈X, x≤a①上界∀ε>0, a−ε<a∵a−ε<a≤∀y∴a−ε∉y∴a−ε不为X上界∴∀ε>0, ∃xε∈X, 使得 a−ε<xε②最小

#调和级数

思路: #基本列 中 p,ε 的任意性 + 放缩 + #Cauchy收敛准则

Pasted image 20231018223218.png

单调数列+发散=>发散到正无穷

#和差化积 + 极限

例题:证明 limx→x0cos⁡x=cos⁡x0

证:

|cos⁡x−cos⁡x0|=|−2×sin⁡x−x02×sin⁡x+x02|≤2×|sin⁡x−x02|≤2×|x−x02|=|x−x0|<ε

∴∀ε>0, ∃δ>0: |x−x0|<δ⇒⋯

e γ

自然常数与欧拉常数

Example 17

en=(1+1n)n

Pasted image 20231012191931.png

en=(1+1n)(1+1n)⋯(1+1n)⋅1<(n(1+1n)+1n+1)n+1=(n+2n+1)n+1=(1+1n+1)n+1=en+1en=4[(1+1n)(1+1n)…(1+1n)⋅12⋅12]<4(n(1+1n)+12+12n+2)n+2=4

e=2.718… - 自然对数的底数,无理数,超越数(非代数数)
超越数(非代数数)的数量远远多于代数数

重要关系
en=(1+1n)n<e<(1+1n)n+1=xn

以上命题取对数后等价于:nln⁡(1+1n)<1<(n+1)ln⁡(1+1n)

简证:左边已经证明,右边 (1+1n)n+1=(1+1n)n⋅(1+1n)

Note

  • 极限还与数的域有关,有理数域的极限的运算不封闭
  • 有理数的数列极限可以构造无理数
  • 运用:
  • Pasted image 20231012193618.png
  • lim(1+1n2)3n2=lim[(1+1n2)n2]3=e3
  • ※重要 γ=0.577 1…: #欧拉常数
  • Pasted image 20231013002047.png

#构造辅助函数

证明方程xln⁡x=1在(0,+∞)上有且仅有一根
即:xln⁡x−1=0有解
简证:
存在性: #零值定理 1,e
唯一性: ⇒ln⁡x−1x单调!
下略

任何奇次多项式至少有一个实零点


奇奇怪怪的方法

如何证明数列收敛

#单调有界定理

#子数列归并性定理

#Cauchy收敛准则

数列{an}收敛的充分必要条件是{an}是基本列

发散<=>非基本列<=>∃ε>0, ∀N∈N+, ∃n>N, ∃p∈N+⇒|an+p−an|≥ε

如何求解数列极限

简化证明

数列极限的简化证明方法

设数列 an 对常数 a 和 0<q<1 满足条件:
|an+1−a|≤q|an−a|(n∈N+)
设liman=a
|an−a|≤q|an−1−a|≤⋯≤qn−1|a1−a|→0
∴liman=a

Tips: q 只能为绝对常数,如果 q 含有其他变量,可以通过放缩得到绝对常数

Example

a1=1, an+1=11+an, 求liman

  • 思路1:奇子列↓有下界,偶子列↑有上界
  • 极限不能设为相同的,需要分别设出再证明相等
  • 思路2:简化+放缩

#epsilon-N定义

技巧:怎样证明极限

直接法

适当放大法

#适当放大法 用于:不能解、解很复杂

  1. 设小于1的某个复杂常数
    Eg. 2nn!→0
  2. 合并、拆分=>凑出能约分的常见极限
    Eg. n2+n+97n3−9→0
    证:n2+n+9|7n3−9|<n2+n2+n2|7n3−9|…9→n2 需要 n>3<3n2|6n3+n3−9|…此时 n3−9>0, 去掉<12n…也可以乘2再趋于0→0
    此时应该取N=max{3,[1ϵ]+1},下略
  3. 不等式、二项式等公式
    Eg. limnn=1(n>1)
    Pasted image 20231009113918.png
  4. 放缩==(抓大放小)== + #收敛数列夹逼性
    Eg.a1n+a2n+⋯+amnn=max{a1n+a2n+⋯+amn}

#Stolz定理

∀∞形Stolz定理
设{an}, {bn}是两个数列, 且{bn}严格递增趋于+∞.如果
liman+1−anbn+1−bn=A
则有
limanbn=A
其中A可以是 实数(有界数) / +∞ / −∞ 只能是定号无穷

Cauchy定理

算数平均

liman=a⇒lima1+a2+⋯+ann=a
逆命题不成立:an=(−1)n 极限不存在


证明: An=a1+⋯+an, Bn=n 即可

几何平均

Corollary

an>0,liman=a⇒lima1a2…ann=a

连乘

an>0,limanan−1=a⇒limann=a

#夹逼定理

见下

如何证明函数极限存在

#Heine归并定理

函数f(x)在x→x0时有极限的充要条件是
对于任意一个以x0为极限的数列{an} (an≠x0)都有\lim\limits_{n\to x_{0}}f(a_{n})=l$

#单调函数单侧极限定理

设f在U˚(x0)内单调有界,则f(x0±0)存在, 不能得出limx→x0f(x)存在
证明只需要在(a,x0), (x0,b)运用 #单调函数极限定理 即可

#Cauchy判别准则

limx→x0f(x)存在⇔
∀ε>0,∃δ>0,∀x′,x″∈U˚(x0,δ): |f(x′)−f(x″)|<ε
其他五种极限不再赘述

如何求解函数极限

#夹逼定理

见下

幂指函数

幂指函数极限

  • #e的转化
    lim(f(x))g(x)=limeg(x)ln⁡f(x)=elimg(x)ln⁡f(x)
    简证:第二个等号运用了 #变量代换 :u=g(x)ln⁡f(x), limu→u0eu=eu0=elim(u→u0)u
  • #幂指同时取极限
    设limf(x)=A>0, limg(x)=B∈R, 则 limf(x)g(x)=AB
    简证:limf(x)g(x)=elimg(x)ln⁡f(x)=eBln⁡A=AB
  • #1∞形不定式
    设limf(x)=1, limg(x)=∞, 则 limf(x)g(x)=elim[f(x)−1]⋅g(x)
    简证:limf(x)g(x)=lim{(1+f(x)−1)1f(x)−1}[f(x)−1]⋅g(x)
    运用 #幂指同时取极限 :=elim[f(x)−1]⋅g(x)

Example

limx→0[a1x+a2x+.....+anxn]1x=(a1⋅a2…an)1n
#e的转化

解:
L:=limx→0eln⁡(a1x+⋯+anx)−ln⁡nx
=elimx→0ln⁡(a1x+⋯+anx)−log⁡nx

法一:
#LHospital法则
limx→0ln⁡(a1x+⋯+anx)−ln⁡nx
=limx→0(ln⁡(…))′1
=limx→0a1xlog⁡a1+⋯+anxlog⁡ana1x+⋯+anx
=limx→0ln⁡a1+ln⁡a2+⋯+ln⁡ann
=
Therefore,
L=e1nln⁡(a1⋅a2…an)
=(a1⋅a2…an)1n

法二:

想不到的放缩与 #夹逼定理

夹逼定理的规范使用

  • 写出不等式
  • 判断敛散性
  • 带入lim符号

不能对极限直接比较大小

奇奇怪怪

又神秘的东西

如何定义一个开集

我们称x为集合A的一个内点∃δ>0,C(x,δ)⊂A(O(x,δ)=Δ{y|||x−y||<δ})开集合:只含有内点的集合称为开集[a,b]a∈[a,b]∀ε>0,(a−ε,a+ε),∃(a−ε,a)⊄[a,b](0,1)⋃n=1∞(0,1n)

线性空间满足八条原则

什么是数域?

什么是拓扑空间?

设X为一个集合,F为x的幂集的子集(所有子集的集合)若:o̸∈F,x∈F对于任意的U,V∈F,都有U∩V∈F∀Uα∈F,α∈I,其中I为指标集,都有⋃α∈IUα∈F则称F为一个拓扑空间

势

1,2,3...:可以排序:可数、可列
[0,1]→R:不可数、不可列

连续统假设

[0,1]→N0→2N0

Reference:《实变函数论》


序结构:分析学

代数结构:代数学

拓扑结构:几何学

区域不变性

数分观点下的不动点

设f∈C[a,b],且f([a,b])⊂[a,b]则
存在ξ∈[a,b],使得f(ξ)=ξ(即为[a,b]中的不动点)

Example

设f(x)在x处可微,αn<x0<βn, limn→∞αn=limn→∞βn=x0
证明:limn→∞f(βn)−f(αn)βn−αn=f′(x0)

Solution:

#添项

f(βn)−f(αn)βn−αn=f(βn)−f(x0)+f(x0)−f(αn)βn−αn=β0−x0βn−αnf(βn)−f(x0)βn−x0−f(βn)−f(αn)βn−αnf(βn)−f(αn)βn−αn
Example

设f(x),g(x),h(x)∈C[a,b]∩D[a,b],试证
存在|f(a)g(a)h(a)f(b)g(b)h(b)f′(ξ)g′(ξ)h′(ξ)|=0

Solution:

F(x):=|f(a)g(a)h(a)f(b)g(b)h(b)f(x)g(x)h(x)|

Example

★设f(x)在[a,b]上连续,且f(a)=f(b),证明:

M(x)=supa≤t≤xf(t), m(x)=infa≤t≤xf(t)

在[a,b]上连续

一些常考 Theorem

需要掌握从实数公理推到每一个Th
以及Th之间互推!

  1. Declekind分割原理
  2. 确界限存在原理
  3. 单调有界原理
  4. 区间套定理
  5. 有限覆盖定理
  6. 聚点定理
  7. 有界数列必有收敛子列
  8. Cauchy收敛准则