单调有界准则

书本上的例子主要使用单调有界准则来证明极限的存在性。

  • 如果一个数列有下界且单调递减,则该数列必定有极限。
  • 如果一个数列有上界且单调递增,则该数列必定有极限。

解这类“递推公式”给出的数列极限问题,标准步骤通常为:

  1. 证明有界性: 利用基本不等式(如均值不等式)或数学归纳法。
  2. 证明单调性: 通过作差法(an+1−ana_{n+1} - a_n)判断符号。
  3. 求极限(如有需要): 在递推公式两边同时取极限,解方程求出极限值。

例题

例 1 设 a1=2,an+1=12(an+1an)a_1 = 2, a_{n+1} = \frac{1}{2}\left(a_n + \frac{1}{a_n}\right),证明:lim⁡n→∞an\lim_{n \to \infty} a_n 存在.

证明: 显然 an>0(n=1,2,⋯ )a_n > 0 (n = 1,2,\cdots).

由 an+1=12(an+1an)≥12⋅2an⋅1an=1a_{n+1} = \frac{1}{2}\left(a_n + \frac{1}{a_n}\right) \ge \frac{1}{2} \cdot 2\sqrt{a_n \cdot \frac{1}{a_n}} = 1,得数列 {an}\{a_n\} 有下界;

再由 an+1−an=12(an+1an)−an=1−an22an≤0a_{n+1} - a_n = \frac{1}{2}\left(a_n + \frac{1}{a_n}\right) - a_n = \frac{1 - a_n^2}{2a_n} \le 0,得数列 {an}\{a_n\} 单调递减.

由数列单调递减且有下界,可得 lim⁡n→∞an\lim_{n \to \infty} a_n 存在.




例 2 设 0<a1<2,an+1=an(2−an)0 < a_1 < 2, a_{n+1} = \sqrt{a_n(2 - a_n)},证明:lim⁡n→∞an\lim_{n \to \infty} a_n 存在.

证明: 由 an+1=an(2−an)≤an+(2−an)2=1a_{n+1} = \sqrt{a_n(2 - a_n)} \le \frac{a_n + (2 - a_n)}{2} = 1,

an+1−an=an(2−an)−an=2an(1−an)an(2−an)+an≥0a_{n+1} - a_n = \sqrt{a_n(2 - a_n)} - a_n = \frac{2a_n(1 - a_n)}{\sqrt{a_n(2 - a_n)} + a_n} \ge 0

得数列 {an}\{a_n\} 单调递增有上界,故 lim⁡n→∞an\lim_{n \to \infty} a_n 存在.




例 3 设 a1=2,a2=2+2,a3=2+2+2,⋯a_1 = \sqrt{2}, a_2 = \sqrt{2 + \sqrt{2}}, a_3 = \sqrt{2 + \sqrt{2 + \sqrt{2}}}, \cdots,证明:lim⁡n→∞an\lim_{n \to \infty} a_n 存在并求此极限.

证明: 递推关系为 an+1=2+ana_{n+1} = \sqrt{2 + a_n},显然 {an}\{a_n\} 单调递增且 an>0a_n > 0.

a1=2≤2a_1 = \sqrt{2} \le 2,设 ak≤2a_k \le 2,从而 ak+1=ak+2≤2+2=2a_{k+1} = \sqrt{a_k + 2} \le \sqrt{2 + 2} = 2,由数学归纳法得 an≤2a_n \le 2,则 lim⁡n→∞an\lim_{n \to \infty} a_n 存在.

令 lim⁡n→∞an=A>0\lim_{n \to \infty} a_n = A > 0,对 an+1=2+ana_{n+1} = \sqrt{2 + a_n} 两边同时求极限,得 A=2+AA = \sqrt{2 + A},解得 A=2A = 2,即 lim⁡n→∞an=2\lim_{n \to \infty} a_n = 2.


2026/8/8
基础阶段给的方法不多,未来进阶学到新的了再补充。
今天花了不少时间,不过主要是重做了遍之前求极限的例题。
明天赶紧过了连续性和间断点部分进函数篇

可爱的miki