3.2 习题课讲解

3.2.1 单调性与极限

例 3.2.1 设f是区间I上的单调函数。

(1)

证明f在区间I内的间断点都是跳跃间断点。

(2)

证明f至多只有可数个间断点。

(3)

证明f连续当且仅当f(I)是区间。

(4)

若进一步,f严格单调,f(I)是区间,证明f有连续的反函数。

证明 不妨设f单调不减。

(1) 对I的任何内点x0,记(1)A:={f(x)∣x∈I∧x<x0},B:={f(x)∣x∈I∧x>x0} 易见α=supA和β=infB均存在,且有α≤f(x0)≤β。

∀ε>0,α−ε都不是A的上界,因此∃x1∈I且x1<x0满足f(x1)>α−ε。由f的单调性可知∀x∈I,x1<x<x0⟹α−ε<f(x1)≤f(x)≤α。因此∀ε>0,∃δ=x0−x1>0,使得∀x∈I,x0−δ<x<x0⟹|f(x)−α|<ε,即limx→x0−f(x)=α。

同理可知limx→x0+f(x)=β。

若α=β,则f在x0处连续;否则,f在x0处跳跃间断。

(2) 设f的间断点集合为D⊆I,I={(a,b)∣a<b∧(a,b)⊆I}。令g:D→I满足x↦(f(x−),f(x+)),h:I→Q满足S↦r∈S。由实数的稠密性可知h是存在的。

设x1,x2∈D且满足x1<x2,则f(x1−)<f(x1+)≤f(x2−)<f(x2+),故g(x1)∩g(x2)=∅,即(h∘g)(x1)<(h∘g)(x2)。故h∘g:D→Q为单射,cardD≤cardQ=ℵ0,即f的间断点至多可数。

(3) 我们尝试证明其逆否命题:f不连续当且仅当f(I)不是区间。

必要性:设f在I内的某点x0处间断,由(1)可知f在x0处跳跃间断,故(f(x0−),f(x0+))中至多含有f(x0)一个元素,即f(I)不是区间。

充分性:设f(I)不是区间,则∃x1,x2∈I,∃y∈R,使得f(x1)<y<f(x2)且y∉f(I)。易见x1<x2。令(2)I1:={x∈I∣f(x)<y},I2:={x∈I∣f(x)>y} 显然ξ1=supI1和ξ2=infI2、α=supf(I1)和β=inff(I2)均存在,且成立ξ1≤ξ2以及α≤f(ξ1)≤f(ξ2)≤β、α≤y≤β。

显然ξ1=ξ2=ξ。否则设ξ1<ξ2,∃ξ∈(ξ1,ξ2),则ξ既是I1的上界又是I2的下界,即f(ξ)≥y∧f(ξ)≤y⟹f(ξ)=y∈f(I),与y∉f(I)矛盾。

同(1)理可知limx→ξ−f(x)=α、limx→ξ+f(x)=β。显然α<β,否则设α=β,则y=f(ξ)∈I,与y∉f(I)矛盾。

ξ即为f的间断点,即f不连续。

(4) 由f严格单增知f−1:f(I)→I存在,且f−1严格单增。注意到f−1(f(I))=I也是区间,由(3)知f−1连续。 ◻

注 区间的定义为:称I⊆R为区间,如果∀x,y∈I,∀z∈R,x<z<y⟹z∈I。

例 3.2.2 设{an}是数列(3)01,11,−11,21,−21,12,−12,31,−31,13,−13,41,−41,32,−32,23,−23,14,−14,⋯ 记(4)In(x):={1,an≤x0,otherwise 对正整数N,记(5)fN(x):=∑n=1N12nIn(x) 证明:

(1)

∀x∈R,极限f(x):=limN→+∞fN(x)存在。

(2)

f在R上严格增。

(3)

f在每个有理数处间断,在每个无理数处连续。

证明 (1) ∀x∈R,fN关于N单调不减,且(6)fN(x)≤∑n=1N12n=1 即fN关于N有上界,由单调有界收敛定理知{fN}关于N的极限存在。

(2) ∀x,y∈R,不妨设x<y,由于有理数稠密且{an}=Q,故存在N1使得x<aN1<y,因此∀N>N1,有(7)fN(y)−fN(x)=∑n=1N12n(In(y)−In(x))≥12N1 令N→+∞,则有(8)f(y)−f(x)≥12N1>0 即f在R上严格增。

(3) ∀x0=aN1∈Q,取ε=2−N1−1>0,则∀δ>0,∃x满足x0−δ<x<x0。故∀N>N1,都有(9)fN(x0)−fN(x)=∑n=1N12n(In(x)−In(x0))≥12N1 令N→+∞,则有(10)f(x0)−f(x)≥12N1>ε 即f在x0处间断。

∀x∈R∖Q,∀ε>0,取特定δ>0使得∀x∈R,都有(11)|x−x0|<δ⟹|f(x)−f(x0)|=∑n=1+∞12n|In(x)−In(x0)|≤?∑n>N112n=12N1<?ε

上述第一个“?”可以通过下式满足:(12)|x−x0|<δ∧n≤N1⟹In(x)=In(x0)⟹an∉(min{x,x0},max{x,x0}] 若给定N1,取(13)δ=12min1≤n≤N1|an−x0| 即可。

上述第二个“?”可取N1=[log2⁡(ε+1ε)]+1。

因此∀ε>0,∃δ>0使得∀x∈R,|x−x0|<δ⟹|f(x)−f(x0)|<ε,即f在x0处连续。 ◻

例 3.2.3 设x>0,记(14)yn=yn−12+x2yn−1,n=1,2,⋯ 证明对任意y0>0,数列{yn}收敛于x。

问题背景 本题是求解方程x=y2的一种迭代方法,称为Newton迭代法。

证明 用数学归纳法可以证明yn>0(∀n∈N),由AM-GM不等式可得(15)yn=yn−12+x2yn−1≥2yn−12⋅x2yn−1=x 从而(16)yn+1−yn=x−yn−122yn−1≤0 故{yn}单调不增且有下界,从而收敛于A≥x>0。

令递推关系式中的n→+∞,则有(17)A=A2+x2A⟹A=x ◻

例 3.2.4 设0≤x≤1,记y0=0,(18)yn=yn−1+λ(x−yn−12),n∈N 求正数λ的值,使得{yn}单调不减;此时证明{yn}收敛,并求其极限。

解 (1) yn+1≥yn当且仅当λ(x−yn2)≥0,即0≤yn≤x;由递推公式可知0≤yn+1≤x当且仅当yn+λ(x−yn2)≤x,亦即(19)(yn−x)(λyn+λx−1)≥0⟺yn≤1−λxλ 取充分条件(20)1−λxλ≥x≥sup{yn∣n∈N} 解得(21)λ≤12x⟺λ≤inf{12x|0≤x≤1}=12 我们后面还需要验证其必要性。

(2) 此时{yn}单调不减,且有上界,故收敛。设极限为A,则有(22)A=A+λ(x−A2)⟹A=x 因此(23)sup{yn∣n∈N}=x 我们验证了(1)中充分条件的必要性。 ◻

例 3.2.5 设f:[0,1]→[0,1]严格增、连续,证明∀x0∈[0,1],limn→+∞f(n)(x0)存在,且极限值x∗满足f(x∗)=x∗。

证明 若x0=f(x0),则∀n∈N,f(n)(x0)=x0,极限显然存在。

若x0<f(x0),则由数学归纳法可以证明{f(n)(x0)}严格增且有上界1,故极限x∗=A存在。由于f连续,故(24)f(x∗)=f(limn→+∞f(n)(x0))=limn→+∞f(n+1)(x0)=x∗

若x0>f(x0),同理可证。 ◻

例 3.2.6 在第一次习题课中,我们证明了(25)an:=(1+1n)n<(1+1n+1)n+1<(1+1n+1)n+2<(1+1n)n+1=:bn 因此{an}严格增且有上界4,{bn}严格减且有下界2,故两者极限均存在且相等,记为e。记ln=loge,易见(26)an=(1+1n)n<e<(1+1n)n+1=bn 从而有(27)1n+1<ln⁡(1+1n)<1n 利用以上事实,证明数列(28)xn=1+12+13+⋯+1n−ln⁡n 收敛。

证明 注意到(29)xn+1−xn=1n+1−ln⁡(n+1)+ln⁡n=1n+1−ln⁡(1+1n)<0 故xn严格减,又(30)xn=∑k=1n1k−ln⁡n>∑j=1nln⁡(1+1k)−ln⁡n=ln⁡(1+1n)>0 即xn有下界0,故收敛。 ◻

例 3.2.7 证明(31)limx→0ln⁡(1+x)x=1 提示:利用(32)1n+1<ln⁡(1+1n)<1n

证明 本题的难点在于如何联系x与1n。先设x∈(0,1),则∃N∈N∗使得1N+1<x≤1N(为什么?),因此(33)ln⁡(1+x)x<ln⁡(1+1N)1N+1<1N1N+1=1+1N<1+2x>ln⁡(1+1N+1)1N>1N+21N=1−2N+2>1−2x 即(34)1−2x<ln⁡(1+x)x<1+2x⟹limx→0+ln⁡(1+x)x=1 另一方面,注意到(35)limx→0−ln⁡(1+x)x=limy→0+ln⁡(1−y)−y=limy→0+ln⁡11−yy,y=−x=limz→0+ln⁡(1+z)1−11+z=limz→0+ln⁡(1+z)z(1+z)=1,z=11−y−1 因此(36)limx→0ln⁡(1+x)x=1 ◻

例 3.2.8 设a0=a>0,b0=b>0,(37)an+1=an+bn2,bn+1=anbn,n∈N 证明{an}和{bn}收敛于同一极限。

证明 由数学归纳法可知an>0,bn>0(∀n∈N)。由AM-GM不等式可得(38)an+1=an+bn2≥anbn=bn+1,n∈N 因此(39)an+1−an=bn−an2≤0,bn+1bn=anbn≥1,n∈N∗ 因此从n=1开始,{an}单调减且有下界b1,{bn}单调增且有上界a1,故两者极限均存在,分别设为A,B。令an的递推关系式两边n→+∞,则(40)A=A+B2⟹A=B ◻

命题背景 上述算法称为算术、几何平均法(Arithmetic-Geometric Mean Method),是迭代计算椭圆积分的最常用的方法。把上述极限值记作初值a,b的函数M(a,b),定义积分(41)I(a,b)=∫0π/2dθa2cos2⁡θ+b2sin2⁡θ Gauss“敏锐”地发现(42)I(a,b)=I(a+b2,ab),a,b>0 因此(43)I(a,b)=I(a0,b0)=I(a1,b1)=⋯=I(M(a,b),M(a,b))=π2M(a,b) 经过变换,积分I可转写为第一类完全椭圆积分K(44)I(a,b)=1bK(1−a2b2),K(k):=∫0π/2dθ1−k2sin2⁡θ 由此,我们找到了计算第一类完全椭圆积分的一种方法。

这种方法的收敛速度如何呢?注意到(45)|xn+1−yn+1|=|xn+12−yn+12|xn+1+yn+1=(xn−yn)24(xn+1+yn+1)≈(xn−yn)28M(a,b) 故这种算法是二阶的,会很快收敛。

例 3.2.9 ∀x∈R,定义(46)En(x):=(1+xn)n,n∈N 证明:

(1)

当x≠0且n>−x时,En(x)关于n严格增。

(2)

En(x)关于n有上界。

(3)

E(x):=limn→+∞En(x)收敛于正数,E(1)=e∈(2,3)。

(4)

设数列{xn}⊆R有界,limn→+∞(1+xnn2)n=1。

(5)

∀x,y∈R,E(x+y)=E(x)E(y)。

(6)

E(x)在x=0处连续,从而E(x)处处连续。

(7)

E(x)关于x严格增。

(8)

E(x)的值域为(0,+∞)。

解 (1) 由Bernoulli不等式可得(47)En+1(x)En(x)=(1+xn+1)n+1(1+xn)n=(1+xn+1)[n(n+x+1)(n+1)(n+x)]n≥(1+xn+1)[1−nx(n+1)(n+x)]=(n+x+1)(n2+n+x)(n+1)2(n+x)=1+x2(n+1)2(n+x)>1 故En(x)关于n严格增。

(2) 注意到(48)|En(x)|=|(1+xn)n|=|∑k=0n(nk)(xn)k|≤∑k=0n(nk)|xn|k≤∑k=0n|x|kk! 当|x|≤1时,有(49)|En(x)|≤∑k=0n|x|kk!≤∑k=0n1k!≤1+1+∑k=2n1k(k−1)=3−1n≤3 当|x|>1时,注意到(50)|x|2k+1(2k+1)!+|x|2k(2k)!≤?2⋅|x|2k(2k)!=2⋅x2⋅x2⋯x2(2k)(2k−1)⋯(k+1)⋅1k!≤?2k! 选择2k+1≥k+1≥x2≥|x|,即k≥K=⌊x2⌋即可保证上式成立,此时(51)|En(x)|≤∑k=0n|x|kk!≤∑k=0K−1|x|kk!+∑k=⌊K/2⌋⌊n/2⌋2k!≤∑k=0K−1|x|kk!+2e 故En(x)关于n有上界。

(3) 由(1)(2)知En(x)收敛,设极限为E(x)。取N=max{0,⌊−x⌋+1},则1+xN>0,且∀n>N,有(52)En(x)≥EN+1(x)⟹E(x)≥EN+1(x)>EN(x)=(1+xN)N>0 故E(x)>0,且显然有3>e=E(1)>E1(1)=2。

(4) 设|xn|<M,∀n∈N∗。注意到(53)(1+xnn2)n=1+∑k=1n(nk)(xnn2)k 其中(54)|∑k=1n(nk)(xnn2)k|≤∑k=1nnkk!Mkn2k≤∑k=1n1k!(Mn)k≤?∑k=1n1k!Mn≤(e−1)Mn<2Mn≤?ε 取n≥max{M,2Mε}即可。

(5) 注意到(55)limn→+∞(1+xn)nlimn→+∞(1+yn)nlimn→+∞(1+x+yn)n=limn→+∞(1+xnn2)n=1,xn=xy1+x+yn 故E(x)E(y)=E(x+y)。

(6) 设|x|<1,注意到(56)|En(x)−1|=|∑k=1n(nk)(xn)k|≤∑k=1n|x|kk!≤|x|∑k=1n1k!≤(e−1)|x|<2|x| 令n→+∞可得|E(x)−1|<2|x|。故∀ε>0,∃δ=ε2,使得(57)|x|<δ⟹|E(x)−1|<2|x|<2δ=ε 而∀x0∈R,都有E(x0)>0,此时∀ε>0,∃δ=ε2E(x0),使得(58)|x−x0|<δ⟹|E(x)−E(x0)|≤E(x0)|E(x−x0)−1|<2δE(x0)=ε 故E(x)处处连续。

(7) 设y>x,对充分大的n利用Bernoulli不等式可得(59)E(y)E(x)=E(y−x)=limn→+∞(1+y−xn)n≥1+y−x>1 故E(x)关于x严格增。

(8) 由(6)(7)知E(x)连续且严格增,故E将区间映射为区间,而(60)limx→+∞E(x)≥limx→+∞E(⌊x⌋)=limx→+∞e⌊x⌋=+∞limx→−∞E(x)≤limx→−∞E(⌈x⌉)=limx→−∞e⌈x⌉=0 故E(x)的值域为(0,+∞)。 ◻

3.2.2 有界闭区间套

例 3.2.10 设0<λ<1,x1=a,x2=b,xn+2=(1−λ)xn+λxn+1。证明{xn}的极限存在,并求它的值。

证明 不妨设a≤b,否则可以考虑yn=−xn。用数学归纳法可以证明(61)x2n−1≤x2n+1≤x2n+2≤x2n 于是[x2n−1,x2n]构成有界闭区间套,从而α=limn→+∞x2n−1、β=limn→+∞x2n存在。令n→+∞,则有β=(1−λ)β+λα,即α=β。因此α=limn→+∞xn。

注意到(62)(xn+2xn+1)=(λ1−λ10)(xn+1xn)=(1λ−111)(1λ−1)(1λ−111)−1(xn+1xn) 因此(63)limn→+∞(xn+2xn+1)=limn→+∞[(1λ−111)(1λ−1)(1λ−111)−1]n(x2x1)(αα)=(1λ−111)[limn→+∞(1λ−1)n](1λ−111)−1(ba)=(1λ−111)(10)(1λ−111)−1(ba)=b+(1−λ)a2−λ(11) 即(64)α=b+(1−λ)a2−λ ◻

例 3.2.11 设f在开区间I上可导,即∀x∈I,极限(65)f′(x):=limy→xf(y)−f(x)y−x 存在。证明:若∀x∈I,都有f′(x)>0,则f在区间I上严格增。

证明 记g(x,y):=f(y)−f(x)y−x。假设∃x1,y1∈I使得x1<y1且f(x1)≥f(y1)。采用以下方法构造{xn},{yn}:

  • 若g(xn,xn+yn2)≤g(xn,yn),则令xn+1=xn,yn+1=xn+yn2。
  • 若g(xn,xn+yn2)>g(xn,yn),则必然有g(xn+yn2,yn)≤g(xn,yn),令xn+1=xn+yn2,yn+1=yn。

如此可得有界闭区间套[xn,yn],满足(66)yn+1−xn+1=yn−xn2,g(xn+1,yn+1)≤g(xn,yn) 由有界闭区间套定理,存在唯一实数x0∈I满足∀n∈N∗,都有x0∈[xn,yn]。由于区间长度不为0,必然存在xn,yn之一(记为an)满足an≠x0且g(an,x0)≤g(xn,yn),因此(67)g(an,x0)≤g(xn,yn)≤g(x1,y1) 由于limn→+∞an=x0,令上述不等式两边n→+∞,得到(68)f′(x0)=limn→+∞g(an,x0)≤g(x1,y1)<0 这与f′(x0)>0矛盾。因此f在I上严格增。 ◻

注 构造数列的过程可以形象地用下面这张图表示,相当于不断找g(斜率)的最小值点。

PIC

图 3.2.1: 构造数列的过程

3.2.3 Cauchy准则

例 3.2.12 压缩不动点定理。设I⊆R是闭集,f:I→I是压缩映射,即存在常数λ∈(0,1)使得∀x,y∈I,都有|f(x)−f(y)|≤λ|x−y|。证明:存在唯一的x∗∈I使得f(x∗)=x∗,并且∀x0∈I,limn→+∞f(n)(x0)=x∗,且(69)|xn−x∗|≤λn1−λ|f(x0)−x0|

证明 记xn=f(n)(x0)。若x1=f(x0)=x0,则命题显然成立。若x1=f(x0)≠x0,则(70)|xn+1−xn|=|f(xn)−f(xn−1)|≤λ|xn−xn−1|≤⋯≤λn|x1−x0| 从而∀ε>0,取特定N>0,使得∀m>n>N,有((*))|xm−xn|≤∑k=nm−1|xk+1−xk|≤∑k=nm−1λk|x1−x0|≤λn1−λ|x1−x0|<λN1−λ|x1−x0|<?ε 取(71)N=[logλ⁡ε(1−λ)|x1−x0|]+1 即可。所以{xn}是Cauchy数列,于是x∗=limn→+∞xn存在。

在(∗)中令m→+∞可得(72)|xn−x∗|=limm→+∞|xm−xn|≤λn1−λ|x1−x0| 易见f连续,因此(73)f(x∗)=f(limn→+∞xn)=limn→+∞f(xn)=limn→+∞xn+1=x∗

设x∗,x#均为f的不动点,则(74)|x∗−x#|=|f(x∗)−f(x#)|≤λ|x∗−x#|<|x∗−x#| 即x∗=x#,故不动点唯一。 ◻

例 3.2.13 用压缩不动点定理证明例3.2.3。

证明 令(75)f(y):=y2+x2y 记I⊆[x,+∞),由AM-GM不等式可得f(I)⊆I,且∀y1,y2∈I,都有(76)|f(y1)−f(y2)|=|y1−y22−x(y1−y2)2y1y2|≤12|1−xy1y2||y1−y2|≤12|y1−y2| 因此f是压缩映射,故f有唯一不动点y∗=x,且∀y0>0,yn=f(n)(y0)→x。 ◻

例 3.2.14 设0≤λ≤12,用压缩不动点定理证明例3.2.4。

证明 当x=0时,命题显然成立。故设0<x≤1。令(77)f(y):=y+λ(x−y2) 记I⊆[0,x],则∀x∈I,都有(78)x−f(y)=(x−y)[1−λ(x+y)]≥0 故f(I)⊆I。∀y1,y2∈I,都有(79)|f(y1)−f(y2)|=|y1−y2−λ(y12−y22)|≤|y1−y2||1−λ(y1+y2)|≤(1−x)|y1−y2| 因此f是压缩映射,故f有唯一不动点y∗=x,且∀y0>0,yn=f(n)(y0)→x。 ◻

例 3.2.15 设0<λ<1,y0>0,yn+1=1−λyn+λ。证明limn→+∞yn存在,并求其值。

证明 令(80)f(y):=1−λy+λ 记I⊆[λ,+∞),显然f(I)⊆I,且∀y1,y2∈I,都有(81)|f(y1)−f(y2)|=|1−λy1−1−λy2|≤1−λλ2|y1−y2| 并不能保证f是压缩映射,故我们考虑(82)f(2)(y)=f(1−λy+λ)=1−λ1−λy+λ+λ=(1−λ)y1−λ+λy+λ 此时(83)|f(2)(y1)−f(2)(y2)|=(1−λ)2|y1−y2|(1−λ+λy1)(1−λ+λy2)≤(1−λ1−λ+λ2)2|y1−y2| 因此f(2)是压缩映射,故f(2)有唯一不动点y∗=1。因此(84)limn→+∞f(2n+1)=f(limn→+∞f(2n))=f(y∗)=1 于是∀y0>0,{yn}n≥1⊆I,都有(85)limn→+∞yn=limn→+∞f(n)(y0)=1 ◻

另解 直接求出{xn}的通项。 ◻

例 3.2.16 每一种收敛都对应一种Cauchy准则。试写出limx→af(x)收敛所对应的Cauchy准则,并给予证明。

证明 limx→af(x)=A当且仅当∀ε>0,∃δ>0,使得∀x,y∈I,(86)0<|x−a|<δ∧0<|y−a|<δ⟹|f(x)−f(y)|<ε

必要性显然,因为(87)|f(x)−f(y)|≤|f(x)−A|+|f(y)−A|<2ε

充分性:任取{xn}满足limn→+∞xn=a且xn≠a,则∀ε′=δ>0,∃N>0使得∀m>n>N,都有0<|xm−a|<δ且0<|xn−a|<δ,因此|f(xm)−f(xn)|<ε,即{f(xn)}是Cauchy数列,从而limn→+∞f(xn)=:A存在。令不等式中的m→+∞可得|f(xn)−A|≤ε,因此∀x∈I,(88)0<|x−a|<δ⟹|f(x)−A|≤|f(x)−f(xn)|+|f(xn)−A|<2ε 所以limx→af(x)=A。 ◻

例 3.2.17 设I⊆R,f:I→R,证明:f在I上连续且所有间断点都是可去间断点当且仅当对于I中的任意Cauchy数列{xn},{f(xn)}都是Cauchy数列。

证明 必要性:设{xn}为I中的Cauchy数列,但f(xn)不是Cauchy数列,则limn→+∞xn存在,记为x0。若x0∈I,则f在x0处连续,此时limn→+∞f(xn)=f(x0),这与假设矛盾。若x0∉I,则x0是f的可去间断点且xn≠x0,此时limn→+∞f(xn)=limx→x0f(x),这也与假设矛盾。

充分性:设x0为I的聚点,且满足limx→x0f(x)不存在。则∃ε>0,∀δ>0,∃x,y∈I,使得0<|x−x0|<δ且0<|y−x0|<δ,但|f(x)−f(y)|≥ε。取δ=1n,则∃x2n−1,x2n∈I,使得0<|x2n−1−x0|<1n且0<|x2n−x0|<1n,但|f(x2n−1)−f(x2n)|≥ε,因此{xn}是Cauchy数列,但{f(xn)}不是Cauchy数列,这与假设矛盾。

因此对I的任何聚点x0,limx→x0f(x)存在。若x0∉I,则x0是f的可去间断点。若x0∈I,设limx→x0f(x)≠f(x0),则取y2n−1=x0、y2n∈I满足0<|y2n−x0|<1n,则{yn}是Cauchy数列,但{f(yn)}不是Cauchy数列,这与假设矛盾。因此f在I上连续。 ◻

例 3.2.18 证明数列(89)an=10!+11!+12!+⋯+1n! 收敛,并证明其极限为e:=limn→+∞(1+1n)n。

证明 显然{an}严格增,且有上界(90)an≤1+1+∑k=1n−11k(k+1)=3−1n<3 即{an}单调增且有上界,故收敛。

下证其极限为e。记bn=(1+1n)n,则e:=limn→+∞bn。注意到(91)bn=∑k=0n(nk)1nk≤∑k=0n1k!=an⟹e≤limn→+∞an 同时(92)bn=∑k=0n(nk)1nk≥∑k=0Nn(n−1)⋯(n−k+1)nk1k!⟹e≥aN⟹e≥limN→+∞aN 因此limn→+∞an=e。 ◻

另证 ∀ε>0,取特定N>0,使得∀m>n>N,都有(93)|am−an|=∑k=n+1m1k!≤1n![1n+1+∑k=n+1m−11k(k+1)]<2n!(n+1)=2(n+1)!<2(N+1)!<2N+1<?ε 故{an}为Cauchy数列,故收敛。

∀ε>0,取特定N>0,使得∀n>N,都有(94)|bn−an|=|(1+1n)n−∑k=0n1k!|≤∑k=0n|(nk)1nk−1k!|=∑k=0n1k![1−n!nk(n−k)!]<?ε 利用Bernoulli不等式可得(95)n!nk(n−k)!=∏i=1k−1(1−in)≥1−∑i=1k−1in≥1−k22n 因此(96)|bn−an|≤∑k=0n1k![1−n!nk(n−k)!]≤∑k=0n1k![1−(1−k22n)]=∑k=0n1k!k22n≤12n∑k=05k2k!+12n∑k=6nk2k(k−1)(k−2)(k−3)≤12n∑k=05k2k!+12n∑k=6nk2k(k−1)⋅k2⋅k2≤12n(∑k=65k2k!+4∑k=6n1k(k−1))<4n<?ε 因此limn→+∞(bn−an)=0,即limn→+∞an=limn→+∞bn=e。 ◻

例 3.2.19 (指数函数的另一种定义方式,复数指数)∀z∈C,定义(97)En(z)=∑k=0n−1zkk! 证明:

(1)

En(z)关于n是Cauchy列,从而存在极限E(z):=limn→+∞En(z)。

(2)

∀z,w∈C,对充分大的n,有(98)|E2n+1(z)E2n+1(w)−E2n+1(z+w)|≤En+1(|z|)|E2n+1(|w|)−En+1(|w|)|+En+1(|w|)|E2n+1(|z|)−En+1(|z|) 从而E(z+w)=E(z)E(w)。

(3)

∀z满足|z|<1,|E(z)−1|<2|z|。

(4)

E(z)对z∈C连续。

(5)

E(1)=e。

2n2nE2n2n2nE2n2n2n2n2nn++11((zz))EE22nn++11((ww))
0zwE2n+E2n+0−E=zw0−Ezw≤≤≤0zwEn+En+z≤112211((nn(z(wzz++))11[)E+((⋅[⋅2zz⋅⋅nw + +⋅]⋅+)]1ww(w)))

图 3.2.2: 证明过程(2)的示意图

证明 (1) 与例3.2.18另解类似。

(2) 本题需要仔细观察等式左右两侧的关系,如图3.2.2所示。此图由(2n+1)2个格点构成,点(k,l)表示求和项zkwlk! l!。注意到(99)E2n+1(z)E2n+1(w)=∑k=02n∑l=02nzkwlk! l!,E2n+1(z+w)=∑k=02n∑l=0kzlwk−ll!(k−l)! 即E2n+1(z)E2n+1(w)为红色区域,E2n+1(z+w)为橙色区域,LHS(=两者之差)即为黄色区域,虚线和圆圈表示不包含此点。

不妨设z,w∈R+,则图中第一个不等号显然成立,因为双实线上的求和项被计算了两次。对于第二个不等号,我们需要依此证明蓝色和绿色箭头对应的不等式成立,亦即(100)zkk!≥zk+l(k+l)!,0≤k<2n−l<n<l≤2nwll!≥wl+k(l+k)!,0≤l<2n−k<n<k≤2n 这两个不等式本质相同,故我们只证明第一个:给定正数z,对充分大的n和任意k,l,有(101)zl≤(k+l)!k!,0≤k<2n−l<n<l≤2n 只需注意到(102)zll!≤?1≤(k+ll)=(k+l)!k! l! 由(1)知∃N(z)>0使得l>N⟹z!l!<1。取n≥N即可。

因此∀n>N(z,w),蓝色和绿色箭头对应的不等式成立,从而第二个不等号成立,最终得到的蓝色区域与绿色区域之和即为RHS。当z,w∈C时,采用三角不等式放缩,上述不等号仍然成立,故原不等式成立。

令n→+∞可得(103)E(z+w)=E(z)E(w)

(3)(4) 与例3.2.9(6)类似。

(5) 见例3.2.18。 ◻

例 3.2.20 考虑以下递进的三个问题:

(1)

设数列{xn}n≥1满足:∀n,p∈N,都有|xn+p−xn|≤pn2。问{xn}是否收敛?

(2)

设数列{xn}n≥1满足:∀n,p∈N,都有|xn+p−xn|≤pn1+β,其中β>0。问{xn}是否收敛?

(3)

设数列{xn}n≥1满足:∀n,p∈N,都有|xn+p−xn|≤pn。问{xn}是否收敛?

证明 (1)(2) 收敛。只需证明存在γ>0使得(104)1n1+β<1(n−1)γ−1nγ 为此,计算(105)limn→+∞n−(1+β)(n−1)−γ−n−γ=limn→+∞1nβ−γ(1−1n)γ1n1−(1−1n)γ=1β,γ=β 故存在N>0使得∀n≥N,都有(106)1n1+β<2β[1(n−1)β−1nβ] 从而∀n≥N以及∀p∈N∗,都有(107)|xn+p−xn|≤∑k=0p−1|xn+k+1−xn+k|≤∑k=0p−11(n+k)1+β≤∑k=0p−12β[1(n+k−1)β−1(n+k)β]≤2β(n−1)β (1) 是 (2) 的一个特例,即(108)1n2≤1n−1−1n

(3) {xn}可能发散。注意到(109)ln⁡(n+p)−ln⁡n=ln⁡(1+pn)<pn 令xn=ln⁡n,则|xn+p−xn|<pn满足题设,显然{xn}发散。 ◻