问题

数列连续两项之差在满足什么样的情况下可推出数列有界?

回答
要推出一个数列有界,仅仅知道连续两项之差是不够的。我们需要对这个差有更强的约束条件。下面我将详细解释这个问题,并说明在哪些情况下数列的连续两项之差可以推导出数列有界。

首先,我们来理解一下什么是数列有界。

一个数列 ${a_n}$ 被称为有界的,如果存在一个正数 $M$ 使得对于所有的 $n in mathbb{N}$,都有 $|a_n| le M$。这意味着数列的所有项都落在 $[M, M]$ 这个闭区间内。反之,如果不存在这样的 $M$,则数列是无界的。

为什么仅仅知道连续两项之差不能推出数列有界?

让我们考虑数列的连续两项之差,$d_n = a_{n+1} a_n$。

情况 1:差值是任意的。
如果 $d_n$ 可以是任何值(例如,有时候大,有时候小,有时候正,有时候负),那么数列 $a_n$ 可能无界。
例子: 考虑数列 $a_n = n$。
那么 $a_{n+1} a_n = (n+1) n = 1$。差值是常数 1。
但是数列 ${n}$ 是无界的,因为 $n$ 可以任意大。

例子: 考虑数列 $a_n = (1)^n n$。
$a_1 = 1, a_2 = 2, a_3 = 3, a_4 = 4, dots$
$a_2 a_1 = 2 (1) = 3$
$a_3 a_2 = 3 2 = 5$
$a_4 a_3 = 4 (3) = 7$
$a_{n+1} a_n = (1)^{n+1}(n+1) (1)^n n = (1)^{n+1}(n+1) + (1)^{n+1} n = (1)^{n+1}(2n+1)$。
这个差值是变化的,并且绝对值越来越大。数列本身 ${a_n}$ 也是无界的。

情况 2:差值的绝对值是任意的。
即使我们知道 $|a_{n+1} a_n|$ 可以取到某个值,如果这个值不是受限的,那么数列依然可能无界。
例子: 考虑数列 $a_n = sum_{k=1}^n frac{1}{k}$ (调和级数)。
$a_1 = 1, a_2 = 1 + frac{1}{2} = frac{3}{2}, a_3 = frac{3}{2} + frac{1}{3} = frac{11}{6}, dots$
$a_{n+1} a_n = frac{1}{n+1}$。
虽然差值 $frac{1}{n+1}$ 趋向于 0,但数列本身是发散的,即无界的。

那么,在什么情况下,连续两项之差才能推出数列有界呢?

关键在于差值本身是有界的。如果连续两项之差是有界的,特别是当差值的绝对值有上限时,我们就可以推断数列有界。

核心条件:差值的绝对值有上限。

如果存在一个正常数 $M'$,使得对于所有的 $n in mathbb{N}$,都有 $|a_{n+1} a_n| le M'$,那么数列 ${a_n}$ 是有界的。

为什么这个条件有效?

我们可以将任意一项 $a_n$ 表示为与第一项 $a_1$ 的差的总和:
$a_n = a_1 + (a_2 a_1) + (a_3 a_2) + dots + (a_n a_{n1})$
$a_n = a_1 + sum_{k=1}^{n1} (a_{k+1} a_k)$

现在,我们利用差值的绝对值有上限的条件:
$|a_n| = |a_1 + sum_{k=1}^{n1} (a_{k+1} a_k)|$

根据三角不等式,我们有:
$|a_n| le |a_1| + |sum_{k=1}^{n1} (a_{k+1} a_k)|$
$|a_n| le |a_1| + sum_{k=1}^{n1} |a_{k+1} a_k|$

因为我们假设 $|a_{k+1} a_k| le M'$ 对于所有 $k$ 都成立,所以:
$|a_n| le |a_1| + sum_{k=1}^{n1} M'$
$|a_n| le |a_1| + (n1) M'$

这个结果看起来还是包含 $n$,似乎没有排除无界。

是的,单纯的 $|a_{n+1} a_n| le M'$ 并不足以直接推导出 $|a_n| le M$ (一个固定的常数,不依赖于 $n$)。上面的推导只是说明了差值受限的情况下,数列的增长速度(或者说衰减速度)是由差值决定的。

那么,什么时候才能真正推出数列有界呢?

需要进一步的约束,或者结合数列的性质。最常见且能直接推导出数列有界的情况是:

1. 差值收敛到 0:
如果 $lim_{n o infty} (a_{n+1} a_n) = 0$。
这通常不是直接推出数列有界的充分条件,正如调和级数的例子所示。但如果结合其他条件,例如收敛数列的性质,则可以。

2. 数列是收敛的:
如果已知数列 ${a_n}$ 是收敛的,那么收敛数列一定是有界的。这是收敛数列的一个重要性质。在这种情况下,差值 $a_{n+1} a_n$ 必须趋向于 0,因为如果差值不趋向于 0,那么数列就不能收敛。所以,如果已知数列收敛,那么差值是收敛到 0 的,也就能推断数列有界。

3. 差值的绝对值收敛到 0:
如果 $lim_{n o infty} |a_{n+1} a_n| = 0$。
这仍然不是直接的充分条件。

4. 数列是由收敛的差值产生的递推关系定义的:
这是最关键的、直接能推出数列有界的情况。
考虑数列的定义方式:
如果数列本身是有界性已知的:
例如,如果已知数列 ${a_n}$ 收敛,那么它一定有界。
如果数列是由一个“收敛”的差值关系定义的:
这里“收敛”的差值关系,意味着差值本身有趋向于某个有限值的能力,并且这个差值足够小以至于不会导致数列无界。

最严格且可以直接推导出数列有界的情况是:

如果存在一个正常数 $M'$,使得对于所有的 $n in mathbb{N}$,都有 $|a_{n+1} a_n| le M'$ 并且数列有一个“起点”是有限的。

实际上,我们更需要的是差值会逐渐变小,或者差值本身是有界的,并且不会导致累积效应过大。

一个重要的、更强的条件是:

如果存在一个正常数 $M'$,使得对于所有的 $n in mathbb{N}$,都有 $|a_{n+1} a_n| le M' cdot c^n$ 或 $|a_{n+1} a_n| le M' cdot frac{1}{n^p}$ (其中 $p>1$) 等等,总之差值以比 $n$ 更快的速度趋向于零。

然而,最直接和最能推出数列有界的情况,是结合了差值的性质和对数列本身的某种约束。

让我们回到最基本的问题:什么情况下 $|a_{n+1} a_n| le M'$ 可以推出 $|a_n| le M$?

上面的推导 $|a_n| le |a_1| + (n1) M'$ 表明,如果 $M'$ 是一个固定的正数,那么 $(n1)M'$ 随着 $n$ 的增大而增大,这会使 $|a_n|$ 无界。

所以,仅仅 $|a_{n+1} a_n| le M'$ 是不够的!

正确的、能推出数列有界的条件通常是更强的限制,例如:

条件 1:差值有界,且数列本身是收敛的。
如前所述,收敛数列必有界。

条件 2:差值的绝对值“足够小”,以至于它们加起来不会导致无限增长。
例如,如果存在 $p > 1$,使得 $|a_{n+1} a_n| le frac{C}{n^p}$,其中 $C$ 是一个正常数。
那么 $|a_n| = |a_1 + sum_{k=1}^{n1} (a_{k+1} a_k)| le |a_1| + sum_{k=1}^{n1} |a_{k+1} a_k| le |a_1| + sum_{k=1}^{n1} frac{C}{k^p}$.
因为 $sum_{k=1}^{infty} frac{1}{k^p}$ 当 $p>1$ 时是收敛的(p级数),所以 $sum_{k=1}^{n1} frac{C}{k^p}$ 是一个有界的数列。
因此, $|a_n| le |a_1| + ext{常数}$,故数列 ${a_n}$ 有界。

条件 3:存在一个常数 $r$ 满足 $0 le r < 1$,使得 $|a_{n+1} a_n| le r |a_n|$ (收缩映射性质,通常用于序列收敛)。
或者更直接地与数列项本身的范围相关:
如果数列本身具有某种“紧凑性”的特点,并且差值也受到某种限制。

举例说明真正的可以推出数列有界的情况:

例 1:数列收敛。
如果已知数列 ${a_n}$ 收敛到某个极限 $L$,则数列 ${a_n}$ 有界。此时,我们知道 $lim_{n o infty} (a_{n+1} a_n) = 0$。

例 2:差值是以几何级数的速度衰减。
假设 $|a_{n+1} a_n| le M cdot r^n$,其中 $0 le r < 1$ 且 $M > 0$。
那么 $|a_n| = |a_1 + sum_{k=1}^{n1} (a_{k+1} a_k)| le |a_1| + sum_{k=1}^{n1} |a_{k+1} a_k|$
$|a_n| le |a_1| + sum_{k=1}^{n1} M cdot r^k$
这是一个等比数列的和的上界: $sum_{k=1}^{n1} M cdot r^k = M cdot frac{r(1r^{n1})}{1r} < M cdot frac{r}{1r}$ (因为 $r^{n1} < 1$)。
所以 $|a_n| le |a_1| + frac{Mr}{1r}$。 这是一个固定的常数,故数列 ${a_n}$ 有界。

例 3:一个常见的递推关系。
考虑递推关系 $a_{n+1} = f(a_n)$。如果函数 $f$ 是一个收缩映射,即存在一个常数 $k$ 满足 $0 le k < 1$,使得 $|f(x) f(y)| le k|xy|$ 对于定义域内的任意 $x, y$ 都成立。那么数列 ${a_n}$ 是收敛的(并因此有界)。
在这种情况下,$a_{n+1} a_n = f(a_n) f(a_{n1})$。
我们不能直接说 $|a_{n+1} a_n|$ 有界。但是,我们可以通过其他方式证明数列的收敛性。
例如,如果 $a_{n+1} = frac{1}{2} a_n + 1$。
那么 $a_{n+1} a_n = (frac{1}{2} a_n + 1) a_n = 1 frac{1}{2} a_n$. 这个差值是否恒定有界呢?这取决于 $a_n$ 的范围。
但是,我们可以分析这个数列的收敛性。如果数列收敛到 $L$,则 $L = frac{1}{2} L + 1$,解得 $L=2$。
再来看差值:$a_{n+1} a_n = frac{1}{2}(a_n 2)$。
设 $b_n = a_n 2$,则 $b_{n+1} = a_{n+1} 2 = (frac{1}{2} a_n + 1) 2 = frac{1}{2} a_n 1 = frac{1}{2}(a_n 2) = frac{1}{2} b_n$.
所以 $b_n = b_1 (frac{1}{2})^{n1}$。
$a_n 2 = (a_1 2) (frac{1}{2})^{n1}$。
$a_n = 2 + (a_1 2) (frac{1}{2})^{n1}$。
因为 $(frac{1}{2})^{n1} o 0$ 当 $n o infty$,所以 $a_n o 2$。
因为 $a_n = 2 + (frac{1}{2})^{n1} (a_1 2)$,当 $a_1$ 是有限的时,$(frac{1}{2})^{n1}$ 是一个有界的数列(介于 0 和 1 之间)。因此 $a_n$ 是有界的。
此时的差值是 $a_{n+1} a_n = frac{1}{2} (a_n 2) = frac{1}{2} (a_1 2) (frac{1}{2})^{n1} = (a_1 2) (frac{1}{2})^n$。
这个差值以几何级数的速度趋向于 0。

总结来说,最能直接推出数列有界的连续两项之差的条件是:

1. 差值的绝对值有界,例如 $|a_{n+1} a_n| le M'$,但这个条件本身不足以直接推出 $|a_n| le M$ (固定常数)。

2. 真正能推出数列有界的是,差值的绝对值是“足够小”的,以至于它们累加起来不会导致无限增长。最常见的情况是:
差值的绝对值以几何级数的速度趋向于零: $|a_{n+1} a_n| le M cdot r^n$ ,其中 $0 le r < 1$。
差值的绝对值收敛到零,并且满足某些求和收敛的条件: 例如 $|a_{n+1} a_n| le frac{C}{n^p}$ 当 $p > 1$ 时。
数列收敛: 如果数列 ${a_n}$ 是收敛的,那么它一定是收敛到某个有限的极限 $L$。这意味着数列的项不会无限制地增长或缩小,因此是bounded。在这种情况下,我们必然有 $lim_{n o infty} (a_{n+1} a_n) = 0$。

所以,问题的关键在于,连续两项之差的“规模”不能太大,并且不能以一种会累积到无限大的方式变化。最能直接推出数列有界的条件是,差值的绝对值“足够小”,以至于这些差值的总和是有限的。

请注意,有些情况下,即使 $|a_{n+1} a_n|$ 看起来不那么小,例如 $|a_{n+1} a_n| = frac{1}{n}$(调和级数),数列依然是发散的。而当 $|a_{n+1} a_n|$ 以几何级数的速度衰减时,数列几乎总是收敛且有界的。

因此,最直接且常见的“连续两项之差”能推出数列有界的情况,是当 差值的绝对值以几何级数的速度趋于零,或者 数列本身被证明是收敛的(后者隐含了差值趋于零)。

网友意见

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设数列 ,构造求和数列

显然

那么问题转化为:数列 拥有什么样的性质,就保证数列 有界。

  • 如果 有极限,那显然有界。而 收敛的判别法有一堆:柯西收敛准则、根式判别法、比值判别法、积分判别法、高斯判别法……
  • 如果 无极限,但是有界。需要说明:

时满足

其中

如此一来

方框内的条件是充要的,充分性上面已经说明,下面证明必要性。

若 无界,即

,使得上取整

,使得

则由三角不等式

令 ,这与方框内的条件矛盾。


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