如何通俗地解释数列极限的定义

同学们大家好,今天我们来学习数列的极限

1 印象

简单的说,若数列无限地趋向于某一实数,则该确定的实数称为此数列的极限。

比如这里,数列的极限就为

如何将这个想法严格化呢,下面我们来看个例子

2 例子

根据这个通项,我们可以很容易计算出数列的每一项

下面以为横坐标,为纵坐标建立坐标系,并将数组里的项表示在坐标系中

从图像上我们可以看到,随着n增大数列在不断的靠近横着的那条坐标轴,可以猜测,数列的极限为0

究竟是不是呢?我们来听听这两个同学的讨论

2.1 讨论

A:从图像上看,随着增大,在不断靠近,可以预见,最终会无限的接近,由此可以断定,数列的极限为

B:无限接近?接近到0.6可以吗

A:当然可以,我们以0为中心,2倍0.6为高,做出一个绿色的矩形区域,显然,落在这个绿色区域内的点与0的距离都是小于0.6的。这里可以看到,除了第一个点,其他点都落在区域内,这说明,从第二个点开始,所有的点与0的距离都小于0.6

B:嗯,看来0.6是可以的,那0.3可以吗

A:当然也是可以的,我们只需要将高度缩小为2倍0.3,这样绿色区域内的点与零的距离就都是小于0.3的了。可以看到,此时虽然第二个点和第三个点落到了区域外,但从第四个点开始,其他的点仍然在区域内,说明,从第四个点开始,所有点与零的距离都是小于0.3的。

B:嗯,看来0.3也是可以的,那0.2,0.1都可以吗

A:可以的,无论你给出多小的距离,我都可以告诉你从哪一项开始能满足要求,也就是说数列与零的距离可以是任意小,其极限为0。

2.2 分析

在刚刚这段对话中,B这位同学在不断的质疑,而A这位同学在不断的求证。通过这不断的质疑与求证,我们最终确定了这个数列的极限为0。即:

确定是能确定,但要精准表达还不容易,下面我们来看看数学家给出的定义

3 严格定义
为一数列。如果存在实数,对于任意给定的正实数(不论它多么小),总存在正整数,使得对所有的时,有:

那么就称是数列 极限 ,或者称数列收敛于,记作:

该定义诘屈聱牙,确实是微积分学习中的第一只拦路虎,下面让我们来仔细分析。这个定义其实就说了两个意思:

  • 猜测:根据的特点,猜测极限为某实数
  • 验证:然后想办法去验证上述猜测的正确性
3.1 猜测

既然是定义数列的极限,当然首先要给出数列,将它们表示在坐标系中,就是这些蓝点

然后在定义里说“如果存在实数”。这里的如果代表猜测,说明有可能是图中的直线,也有可能是图中的直线

不过这里最有可能的,还是下面这幅图中的直线

因为随着增大,数列与这条直线的距离在不断的减小

然后假设这条线是,则就是我们猜测的数列极限。

3.2 验证

既然是猜测,那么就需要验证,定义中的后面几句话就是在验证。首先看这一句

表示的是数列与间的距离,要小于,那就以为中心,2倍为高做出一矩形区域,显然落在这个区域的点都满足

那么这里只要选择,就能满足,对所有的,有

定义里要求,不论多么小,都能找到这样的。而这一点,也是符合的。比如这里,将缩小后,我们可以将取为

满足了这些条件,我们就验证出来是数列的极限。将它记为

这就是数学家们数列极限的定义。

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