diff --git a/advanced-math/1-perpare/perpare.tex b/advanced-math/1-perpare/perpare.tex index 2916c74..029e73d 100644 --- a/advanced-math/1-perpare/perpare.tex +++ b/advanced-math/1-perpare/perpare.tex @@ -1202,7 +1202,7 @@ $a^\alpha\cdot a^\beta=a^{\alpha+\beta},\dfrac{a^\alpha}{a^\beta}=a^{\alpha-\bet \subsubsection{根号不等式} -公式一非常重要,即二分之一的算数平均大几何平均。 +公式一非常重要,即算数平均值大几何平均值。 $a,b,c>0$: diff --git a/advanced-math/2-number-series-and-limit/numer-series-and-limit.tex b/advanced-math/2-number-series-and-limit/numer-series-and-limit.tex index f947cb8..fb76110 100644 --- a/advanced-math/2-number-series-and-limit/numer-series-and-limit.tex +++ b/advanced-math/2-number-series-and-limit/numer-series-and-limit.tex @@ -1,6 +1,9 @@ \documentclass[UTF8]{ctexart} \usepackage{color} % 使用颜色 +\definecolor{orange}{RGB}{255,127,0} +\definecolor{violet}{RGB}{192,0,255} +\definecolor{aqua}{RGB}{0,255,255} \usepackage{geometry} \setcounter{tocdepth}{5} \setcounter{secnumdepth}{5} @@ -78,13 +81,13 @@ $\therefore$当$n>N$时,必然$n>\dfrac{\ln\epsilon}{\ln\vert q\vert}$,有$\ 通过定义可以证明极限。 -设$\{x_n\}$为一数列,若存在常数$a$,对于不论任意小的$\epsilon>0$,总存在正整数$N$,使$n>N$时,$\vert x_n-a\vert<\epsilon$恒成立,则常数$a$为数列$\{x_n\}$的极限,或$\{x_n\}$收敛于$a$,记为:$\lim_{x\to\infty}x_n=a$或$x_n\to a(n\to\infty)$。 +\textcolor{violet}{\textbf{定义:}}设$\{x_n\}$为一数列,若存在常数$a$,对于不论任意小的$\epsilon>0$,总存在正整数$N$,使$n>N$时,$\vert x_n-a\vert<\epsilon$恒成立,则常数$a$为数列$\{x_n\}$的极限,或$\{x_n\}$收敛于$a$,记为:$\lim_{x\to\infty}x_n=a$或$x_n\to a(n\to\infty)$。 常用语言($\epsilon-N$语言):$\lim_{x\to\infty}x_n=a\Leftrightarrow\forall\epsilon>0,\exists N\in N_+$,当$n>N$时,恒有$\vert x_n-a\vert<\epsilon$。 如果不存在该数$a$,则称数列$x_n$发散。 -\subsection{数列与数列绝对值} +\subsection{数列绝对值} \textbf{例题3:}证明若$\lim_{x\to\infty}a_n=A$,则$\lim_{x\to\infty}\vert a_n\vert=\vert A\vert$。 @@ -96,15 +99,184 @@ $\therefore$当$n>N$时,必然$n>\dfrac{\ln\epsilon}{\ln\vert q\vert}$,有$\ 从这个题推出:$\lim_{n\to\infty}a_n=0\Leftrightarrow\lim_{n\to\infty}\vert a_n\vert=0$。所以如果我们以后需要证明某一数列极限为0,可以证明数列绝对值极限0,而数列绝对值绝对时大于等于0的,所以由夹逼准则,其中小的一头已经固定为0了,所以只用找另一个偏大的数列夹逼所证明数列就可以了。 -\subsection{数列与子数列} +\subsection{子数列} + +\textcolor{violet}{\textbf{定义:}}从数列${a_n}:a_1,a_2,\cdots,a_n,\cdots$中选取无穷多项并按原来顺序组成的新数列就称为原数列的子列,记为$\{a_{n_k}\}:a_{n_1},a_{n_2},\cdots,a_{n_k},\cdots$。 + +若$n_k$分别取奇数和偶数,则得到奇数项数列与偶数项数列。 + +\textcolor{aqua}{\textbf{定理:}}若数列$\{a_n\}$收敛,则其任何子列$\{a_{n_k}\}$也收敛,且极限值相同。 + +所以对于其变式我们用到更多: + +\begin{enumerate} + \item 若一个数列$\{a_n\}$能找到一个发散的子列,那该数列发散。 + \item 若一个数列$\{a_n\}$能找到两个极限值不同的收敛子列,那么这个数列发散。 + \item 若一个数列$\{a_n\}$,则其奇数子列与偶数子列都收敛于同一个值。 +\end{enumerate} + +例如对于数列$\{(-1)^n\}$,能找到其奇数子列收敛于-1,偶数子列收敛于1,所以收敛值不同,原数列发散。 \section{性质} \subsection{唯一性} + +\textcolor{violet}{\textbf{定义:}}若数列$\{x_n\}$收敛于$a$,则$a$是唯一的。 + \subsection{有界性} + +\textcolor{violet}{\textbf{定义:}}若数列$\{x_n\}$极限存在,则数列有界。 + \subsection{保号性} + +较重要。也称为脱帽法。 + +\textcolor{violet}{\textbf{定义:}}若数列$\{x_n\}$存在极限$\lim_{n\to\infty}a_n=a\neq 0$,则存在正整数$N$,当$n>N$时$a_n$都与$a$同号。 + +简单来说,就是极限大于0,后面一部分数列大于0,极限小于0,后面一部分数列小于0。 + +推论,戴帽法:若数列$\{a_n\}$从某项开始$a_n\geqslant b$,且$\lim_{n\to\infty}a_n=a$,则$a\geqslant b$。这里一定要带等号。 + \section{运算规则} + +若$\lim_{n\to\infty}x_n=a$,$\lim_{n\to\infty}y_n=b$则: + +\begin{enumerate} + \item $\lim_{n\to\infty}x_n\pm y_n=a\pm b$。 +\end{enumerate} + +\textbf{例题4:}若$\lim_{n\to\infty}(a_n+b_n)=1$且$\lim_{n\to\infty}(a_n-b_n)=3$,计算$\lim_{n\to\infty}a_n$与$\lim_{n\to\infty}b_n$。 + +首先是不能通过运算法则第一条将两个条件直接加减的,因为不能保证两个极限是否都存在。 + +所以必须先令$u_n=a_n+b_n$,$v_n=a_n-b_n$,所以$\lim_{n\to\infty}u_n=1$,$\lim_{n\to\infty}v_n=3$。 + +因为这两个极限都存在,所以可以进行运算。 + +相加得到$\lim_{n\to\infty}(u_n+v_n)=2\lim_{n\to\infty}a_n=4$。 + +所以得到$\lim_{n\to\infty}a_n=2$。同理$\lim_{n\to\infty}(u_n-v_n)$得到$\lim_{n\to\infty}b_n=-1$。 + \section{夹逼准则} + +\textcolor{violet}{\textbf{定义:}}若数列$\{x_n\}$,$\{y_n\}$,$\{z_n\}$满足以下条件: + +$y_n\leqslant x_n\leqslant z_n(n=1,2,3,\cdots)$;$\lim_{n\to\infty}y_n=a,\lim_{n\to\infty}z_n=a$。 + +则数列$x_n$极限存在且$\lim_{n\to\infty}x_n=a$。 + +\textbf{例题5:}求极限$\lim_{n\to\infty}\left(\dfrac{n}{n^2+1}+\dfrac{n}{n^2+2}+\cdots+\dfrac{n}{n^2+n}\right)$。 + +使用夹逼准则:$\dfrac{n^2}{n^2+n}<\sum_{i=1}^n\dfrac{n}{n^2+i}<\dfrac{n^2}{n^2+1}$ + +又$\lim_{n\to\infty}\dfrac{n^2}{n^2+1}=\lim_{n\to\infty}\dfrac{n^2/n^2}{n^2/n^2+1/n^2}=\lim_{n\to\infty}\dfrac{1}{1+\dfrac{1}{n^2}}=1$ + +且$\lim_{n\to\infty}\dfrac{n^2}{n^2+n}=\lim_{n\to\infty}\dfrac{1}{1+\dfrac{1}{n}}=1$。 + +由夹逼准则,原式的极限为1。 + +对于分式的放缩主要在于分母的放缩,不变分子,分母变小原式变大,分母变大原式变小。然后分子分母除以最高项得到逼向0的极限。 + \section{单调有界准则} -该部分最重要。 +也称为魏尔施特拉斯准则,该部分最重要。 + +\textcolor{violet}{\textbf{定义:}}单调有界数列必有极限,即若$\{x_n\}$单调增加(减少)且有上界(下界),则极限存在。 + +该部分需要证明两个地方: + +\begin{enumerate} + \item 数列单调:$x_{n+1}-x_n$与0的关系,或$\dfrac{x_{n+1}}{x_n}$与1的关系。 + \item 有界:$\vert x_n\vert\leqslant M$是否存在。 +\end{enumerate} + +见到\textcolor{orange}{递推式(迭代式)}$a_{n+1}=f(a_n)$,一般都要用单调有界准则。单调性通过减或除进行计算,有界性通过不等式来计算。 + +\textbf{例题6:}已知$a_1=a>0$,证明$a_{n+1}=\dfrac{1}{2}\left(a_n+\dfrac{2}{a_n}\right)$的极限存在并求出。 + +$\because a_1=a>0$,且递推式中没有负数与减的操作,所以$a_n>0$。 + +由重要不等式$\dfrac{a+b}{2}\geqslant\sqrt{ab}$,所以$a_{n+1}=\dfrac{1}{2}\left(a_n+\dfrac{2}{a_n}\right)\geqslant\sqrt{a_n\cdot\dfrac{2}{a_n}})=\sqrt{2}$ + +$\therefore$数列$\{a_n\}$有下界$\sqrt{2}$。 + +又$a_{n+1}-a_n=\dfrac{2-a_n^2}{2a_n}$,且由上面证明已知$a_n^2\geqslant\sqrt{2}$,所以该式子小于等于0。 + +$\therefore a_{n+1}\leqslant a_n$,得到数列单调减少。 + +由单调有界准则,$\lim_{n\to\infty}a_n$存在并记为$A$。 + +将$A$代入递推式并两边求极限:$A=\dfrac{1}{2}(A+\dfrac{2}{A})$,得到$A=\pm\sqrt{2}$。 + +又因为保号性,数列下界为$\sqrt{2}$,所以$A=\sqrt{2}$。 + +\textbf{例题7:}求证$x_{n+1}=\sin x_n$极限存在,$00\Rightarrow\{a_n\}\nearrow$ + +$ +\begin{aligned} + \text{\ding{173}}a_n & =\dfrac{1}{1\cdot 1}+\dfrac{1}{2\cdot 2}+\cdots+\dfrac{1}{n\cdot n} \\ + & \text{裂项相消} \\ + < & 1+\dfrac{1}{1\cdot 2}+\cdots+\dfrac{1}{(n-1)\cdot(n)} \\ + = & 1+(1-\dfrac{1}{2})+(\dfrac{1}{2}-\dfrac{1}{3})+\cdots+(\dfrac{1}{n-1}-\dfrac{1}{n}) \\ + = & 2-\dfrac{1}{n} \\ + < & 2 \text{ (上界)} +\end{aligned} +$ + +单调增且有上界,所以必然有极限。 + +\section{直接计算法} + +通过单调有界准则不一定能简单计算出结果,因为如果要计算极限,就无法使用,对于迭代式方程也可以直接计算,不过该种类型题目难度较大。 + +\textbf{例题9:}数列$\{a_n\}$满足$a_0=0,a_1=1,2a_{n+1}=a_n+a_{n-1},n=1,2,\cdots$。计算$\lim_{n\to\infty}a_n$。 + +首先看题目,给出的递推式设计到二阶递推,即存在三个数列变量,所以我们必须先求出对应的数列表达式。因为这个表达式涉及三个变量,所以尝试对其进行变型: + +$ +\begin{aligned} + a_{n+1}-a_n & =\dfrac{a_{n-1}-a_n}{2} \\ + & =\left(-\dfrac{1}{2}\right)(a_n-a_{n-1}) \\ + & =\left(-\dfrac{1}{2}\right)^2(a_{n-1}-a_{n-2}) \\ + & =\cdots \\ + & =\left(-\dfrac{1}{2}\right)^n(a_1-a_0) \\ + & = \left(-\dfrac{1}{2}\right)^n +\end{aligned} +$ + +然后得到了$a_{n+1}-a_n=\left(-\dfrac{1}{2}\right)^n$,而需要求极限,所以使用列项相消法的逆运算: + +$ +\begin{aligned} + a_n & = (a_n-a_{n-1})+(a_{n-1}-a_{n-2})+\cdots+(a_1-a_0)+a_0 \\ + & = \left(-\dfrac{1}{2}\right)^{n-1} + \left(-\dfrac{1}{2}\right)^{n-2} + \cdots + \left(-\dfrac{1}{2}\right)^0 \\ + & = \dfrac{1\cdot\left(1-\left(-\dfrac{1}{2}\right)^n\right)}{1-\left(-\dfrac{1}{2}\right)} \\ + & = \dfrac{2}{3}\left[1-\left(-\dfrac{1}{2}\right)^n\right] \\ + \lim_{n\to\infty}a_n & =\dfrac{2}{3} +\end{aligned} +$ + \end{document} diff --git a/advanced-math/3-function-and-limit/function-and-limit.tex b/advanced-math/3-function-and-limit/function-and-limit.tex new file mode 100644 index 0000000..618890a --- /dev/null +++ b/advanced-math/3-function-and-limit/function-and-limit.tex @@ -0,0 +1,142 @@ +\documentclass[UTF8]{ctexart} +\usepackage{color} +% 使用颜色 +\definecolor{orange}{RGB}{255,127,0} +\definecolor{violet}{RGB}{192,0,255} +\definecolor{aqua}{RGB}{0,255,255} +\usepackage{geometry} +\setcounter{tocdepth}{5} +\setcounter{secnumdepth}{5} +% 设置四级目录与标题 +\geometry{papersize={21cm,29.7cm}} +% 默认大小为A4 +\geometry{left=3.18cm,right=3.18cm,top=2.54cm,bottom=2.54cm} +% 默认页边距为1英尺与1.25英尺 +\usepackage{indentfirst} +\setlength{\parindent}{2.45em} +% 首行缩进2个中文字符 +\usepackage{amssymb} +% 因为所以与其他数学拓展 +\usepackage{amsmath} +% 数学公式 +\usepackage{setspace} +\renewcommand{\baselinestretch}{1.5} +% 1.5倍行距 +\usepackage{pifont} +% 圆圈序号 +\author{Didnelpsun} +\title{函数与极限} +\begin{document} +\maketitle +\thispagestyle{empty} +\tableofcontents +\thispagestyle{empty} +\newpage +\pagestyle{plain} +\setcounter{page}{1} +\section{邻域} +\subsection{一维} + +邻域\textcolor{violet}{\textbf{定义:}}以点$x_0$为中心的任何开区间为点$x_0$的邻域,记为$U(x_0)$。 + +$\delta$邻域\textcolor{violet}{\textbf{定义:}}设$\delta$为一正数,则称开区间$(x_0-\delta,x_0+\delta)$为点$x_0$的$\delta$邻域,记作$U(x_0,\delta)$。$x_0$称为邻域的中心,$\delta$为邻域的半径。 + +去心$\delta$邻域就是去除$x_0$的$\delta$邻域,记为$\mathring{U}(x_0,\delta)$,左$\delta$邻域就是左侧的去心$\delta$邻域,记为$U^+(x_0,\delta)$,右$\delta$邻域就是右侧的去心$\delta$邻域,记为$U^-(x_0,\delta)$。 + +\subsection{二维} + +邻域\textcolor{violet}{\textbf{定义:}}设点$P_0(x_0,y_0)$为$xOy$平面上的一点,$\delta$为某一个正数,与点$P_0(x_0,y_0)$的距离小于$\delta$的点$P(x,y)$的全体,称为点$P_0$的$\delta$邻域,记为$U(P_0,\delta)$。 + +同理可以得到去心$\delta$邻域的定义。 + +$\delta$邻域的几何意义:以$P_0(x_0,y_0)$为中心,以$\delta>0$为半径的圆内部所有的点。 + +函数的邻域就是一个区间,所以比如函数在某点的某邻域内有定义,就是说明函数在这个点的附近有定义,这个附近的距离没有必要说明。 + +\section{定义} + +设函数$f(x)$在点$x_0$的某一个去心邻域有定义,若存在常数$A$,对于任意给定的$\epsilon>0$,总存在正数$\delta$,使得当$0<\vert x-x_0\vert<\delta$式,对应的函数值$f(x)$都满足不等式$\vert f(x)-A\vert <\epsilon$,则$A$就是函数$f(x)$当$x\to x_0$时的极限,记作$\lim_{x\to x_0}f(x)=A$或$f(x)\rightarrow A(x\rightarrow x_0)$。 + +写成$\epsilon-\delta$语言:$\lim_{x\to x_0}f(x)=A\Leftrightarrow\forall\epsilon>0,\exists\delta>0,\text{当}0<\vert x-x_0\vert<\delta$时,有$\vert f(x)-A\vert\epsilon$。 + +而对于趋向无穷时,写成$\epsilon-X$语言:$\lim_{x\to\infty}f(x)=A\Leftrightarrow\forall\epsilon>0,\exists X>0,\text{当}\vert x\vert>X$时,有$\vert f(x)-A\vert<\epsilon$。 + +\textcolor{orange}{注意:}这里的趋向分为六种:$x\to x_0$、$x\to x_0^+$、$x\to x_0^-$、$x\to\infty$、$x\to\infty^+$、$x\to\infty^-$。 + +\subsection{单侧极限} + +当$x\to x_0^-$存在的极限称为左极限,当$x\to x_0^+$存在的极限称为右极限。 + +\subsection{函数极限存在条件} + +函数存在的充要条件是: + +\begin{enumerate} + \item $\lim_{x\to x_0}f(x)\Leftrightarrow\lim_{x\to x_0^-}f(x)=\lim_{x\to x_0^+}f(x)=A$。 + \item 函数脱帽法:$\lim_{x\to x_0}f(x)\Leftrightarrow f(x)=A+\alpha(x),\lim_{x\to x_0}\alpha(x)=0$,后面的$\alpha(x)$就是函数与极限值的误差。 +\end{enumerate} + +\section{性质} + +任何$x$的趋向三个性质都是成立的。 + +\subsection{唯一性} + +若极限存在,则极限唯一。 + +\subsection{局部有界性} + +若极限存在且为$A$,则存在正常数$M$和$\delta$,使得当$0<\vert x-x_0\vert<\delta$时,有$\vert f(x)\vert\leqslant M$。 + +\subsection{局部保号性} + +若极限存在,则存在常数$\delta>0$,使得当$0<\vert x-x_0\vert<\delta$时,$f(x)$与$A$同号。 + +简单来说,函数值在$x\to x_0$时函数值与极限值同号。 + +证明局部保号性: + +首先根据极限存在定义:$\forall\epsilon>0,\exists\delta>0,0<\vert x-x_0\vert<\delta$时,恒有$\vert f(x)-A\vert<\epsilon$。 + +$\Rightarrow -\epsilon0\Rightarrow f(x)>A-\dfrac{A}{2}=\dfrac{A}{2}>0$ + +证明完毕。 + +关于$\epsilon$的取值问题,为什么不能取到令结果为负的值,因为请注意这个取值得到的区间并不是$f(x)$的范围,而是对$f(x)$所在区间的陈述,其是无尽逼近$A$的,所以取多大的区间都无所谓。 + +推论:若函数值在$x\to x_0$时都非负或非正,极限值为$A$,那么$A$与此时函数值同号。不能去除等号。 + +关于三个性质要注意自变量取值的双向性,所以需要留意下面几个函数: + +\begin{enumerate} + \item $\lim_{x\to\infty}e^x$不存在,因为$\lim_{x\to +\infty}e^x=+\infty$,$\lim_{x\to -\infty}e^x=0$。 + \item $\lim_{x\to 0}\dfrac{\sin x}{\vert x\vert}$不存在,因为$\lim_{x\to 0^+}\dfrac{\sin x}{\vert x\vert}=1$,$\lim_{x\to 0^-}\dfrac{\sin x}{\vert x\vert}=-1$。 + \item $\lim_{x\to\infty}\arctan x$不存在,因为$\lim_{x\to +\infty}\arctan x=\dfrac{\pi}{2}$,$\lim_{x\to -\infty}\arctan x=-\dfrac{\pi}{2}$。 + \item $\lim_{x\to 0}[x]$不存在,因为$\lim_{x\to 0^+}[x]=0$,$\lim_{x\to 0^-}[x]=-1$ +\end{enumerate} + +\section{运算法则} +\section{夹逼准则} +\section{洛必达法则} +\section{泰勒公式} + +非常重要。 + +\subsection{定义} +\subsection{泰勒展开} +\section{归结原则} +\section{无穷小比阶} +\section{连续} +\subsection{连续点的定义} +\section{间断} +\subsection{间断点定义} +\subsection{间断点分类} +\subsubsection{可去间断点} +\subsubsection{跳跃间断点} +\subsubsection{无穷间断点} +\subsubsection{振荡间断点} +\end{document}