问题

这个数列有界如何证明?

回答
好的,我们来聊聊如何证明一个数列是否有界。

首先,我们要明确“数列有界”是什么意思。简单来说,一个数列有界,就是说这个数列里面的所有数字,都不会“跑到天上去”,也不会“掉到地狱里”。它有一个上限,也有一个下限,所有的数都乖乖地待在这两个数字之间。

更正式一点说,一个数列 ${a_n}$(也就是 $a_1, a_2, a_3, dots$ 这一串数)是有界的,意味着存在两个实数 $M$ 和 $m$,使得对于数列中的每一个数 $a_n$,都满足 $m le a_n le M$。

有上界 (Bounded Above): 存在一个实数 $M$,使得对于所有的 $n ge 1$,都有 $a_n le M$。这意味着数列中的所有数都不会超过 $M$。
有下界 (Bounded Below): 存在一个实数 $m$,使得对于所有的 $n ge 1$,都有 $a_n ge m$。这意味着数列中的所有数都不会小于 $m$。

如果一个数列既有上界又有下界,我们就说这个数列是有界的。

那么,怎么证明一个数列有界呢?这就像在找这个数列的“安全区”。我们可以从以下几个角度去思考和入手:

1. 直接根据定义寻找上下界

这是最直接也是最根本的方法。如果你的数列形式比较简单,或者你对它的行为很熟悉,可以直接尝试找出那个 $M$ 和 $m$。

思路:

观察数列的结构: 看看数列的通项公式 $a_n$ 是什么样子的。它包含什么运算?(加减乘除、指数、对数、三角函数等等)
分析项的增长趋势: 随着 $n$ 变大,$a_n$ 是在增大、减小,还是在某个值附近波动?
寻找关键点: 有些数列在 $n$ 取某些值时可能会有最大值或最小值。比如,如果 $a_n$ 是一个二次函数,它可能在顶点处达到极值。
利用已知的不等式: 很多数学中有名的不等式可以帮助我们限制数的范围。

举个例子:

证明数列 $a_n = frac{1}{n}$ 是有界的。

观察: 这个数列是 $1, frac{1}{2}, frac{1}{3}, frac{1}{4}, dots$
分析: 随着 $n$ 增大,$frac{1}{n}$ 的值在减小。
寻找上下界:
对于任何 $n ge 1$,因为 $n$ 是正整数,所以 $n > 0$。因此,$frac{1}{n}$ 总是大于 $0$。所以,我们可以取 $m = 0$。对于所有 $n ge 1$,都有 $a_n = frac{1}{n} ge 0$。
数列的第一项是 $a_1 = 1$。由于数列是递减的(之后项的值都比前面的小),所以所有项的值都不会超过 $1$。我们可以取 $M = 1$。对于所有 $n ge 1$,都有 $a_n = frac{1}{n} le frac{1}{1} = 1$。
结论: 我们找到了 $m=0$ 和 $M=1$,使得对于数列中的每一个数 $a_n$,都有 $0 le a_n le 1$。因此,数列 $a_n = frac{1}{n}$ 是有界的。

再举一个例子:

证明数列 $a_n = sin(n)$ 是有界的。

观察: 这个数列是 $sin(1), sin(2), sin(3), dots$ (这里的角度是弧度)。
分析: 正弦函数 $sin(x)$ 的值域是 $[1, 1]$。
寻找上下界:
根据正弦函数的性质,对于任何实数 $x$,都有 $1 le sin(x) le 1$。
所以,对于数列中的每一个项 $a_n = sin(n)$,我们都有 $1 le sin(n) le 1$。
结论: 我们可以取 $m = 1$ 和 $M = 1$。对于所有 $n ge 1$,都有 $m le a_n le M$。因此,数列 $a_n = sin(n)$ 是有界的。

2. 利用数列的单调性

很多时候,数列是否有界和它的单调性紧密相关。如果一个数列是单调的,我们只需要找到它“最极端”的那一项,或者它趋近于的那个极限(如果存在且有限),就能判断是否有界。

关键定理:单调有界定理

一个递增的数列,如果它有上界,那么它一定收敛。
一个递减的数列,如果它有下界,那么它一定收敛。

这个定理告诉我们,单调性和有界性往往是“捆绑销售”。如果我们能证明数列是单调的,并且找到一个(相对容易找到的)上界或下界,那么它就一定有界。

思路:

1. 证明数列的单调性:
递增: 证明 $a_{n+1} a_n ge 0$ 或者 $frac{a_{n+1}}{a_n} ge 1$ (当 $a_n > 0$ 时)。
递减: 证明 $a_{n+1} a_n le 0$ 或者 $frac{a_{n+1}}{a_n} le 1$ (当 $a_n > 0$ 时)。
2. 证明数列有界:
如果数列递增: 找到一个上界 $M$。通常,这个上界会和数列的极限有关,或者是一个较大的常数。
如果数列递减: 找到一个下界 $m$。通常,这个下界会和数列的极限有关,或者是一个较小的常数。

举个例子:

证明数列 $a_n = frac{n}{n+1}$ 是有界的。

1. 证明单调性:
我们来计算 $a_{n+1} a_n$:
$a_{n+1} = frac{n+1}{(n+1)+1} = frac{n+1}{n+2}$
$a_n = frac{n}{n+1}$
$a_{n+1} a_n = frac{n+1}{n+2} frac{n}{n+1} = frac{(n+1)^2 n(n+2)}{(n+2)(n+1)}$
$= frac{(n^2 + 2n + 1) (n^2 + 2n)}{(n+2)(n+1)} = frac{1}{(n+2)(n+1)}$
由于 $n ge 1$,所以 $(n+2)(n+1) > 0$。因此,$a_{n+1} a_n = frac{1}{(n+2)(n+1)} > 0$。
这说明数列 ${a_n}$ 是递增的。

2. 证明有界:
既然数列是递增的,我们只需要找到一个上界。
观察 $a_n = frac{n}{n+1} = frac{n+11}{n+1} = 1 frac{1}{n+1}$。
因为 $n ge 1$,所以 $n+1 ge 2$。
因此,$frac{1}{n+1} > 0$。
所以,$a_n = 1 frac{1}{n+1} < 1$。
这意味着数列中的每一项都小于 $1$。我们可以取 $M=1$ 作为上界。
对于下界,因为数列是递增的,最小的值出现在第一项。$a_1 = frac{1}{1+1} = frac{1}{2}$。
所以,$a_n ge a_1 = frac{1}{2}$。我们可以取 $m = frac{1}{2}$ 作为下界。

结论: 数列 ${a_n}$ 递增,且对于所有 $n ge 1$,都有 $frac{1}{2} le a_n < 1$。因此,数列 ${a_n}$ 是有界的。

3. 利用极限的性质

如果一个数列有有限的极限,那么它一定是有界的。

关键定理:收敛数列必有界

如果数列 ${a_n}$ 收敛于一个实数 $L$,即 $lim_{n o infty} a_n = L$,那么 ${a_n}$ 是有界的。

思路:

1. 计算数列的极限: 尝试用各种方法(如夹逼准则、洛必达法则、化简通项公式等)计算 $lim_{n o infty} a_n$。
2. 判断极限是否有限:
如果极限 $L$ 是一个有限的实数,那么数列就一定有界。
如果极限是 $infty$ 或 $infty$,那么数列是无界的(只有单侧无界)。

为什么收敛数列必有界?

这是因为极限的定义:$lim_{n o infty} a_n = L$ 意味着:对于任意给定的 $epsilon > 0$,都存在一个正整数 $N$,使得当 $n > N$ 时, $|a_n L| < epsilon$。
这意味着,对于 $n > N$ 的那些项,$a_n$ 都被限制在 $(Lepsilon, L+epsilon)$ 这个区间内。
对于 $n le N$ 的有限项,它们本身就是一组有限的数值,一定存在这些项中的最大值和最小值(或者可以取一个比它们都大的上界和比它们都小下界)。
综合这两部分,整个数列就有了确定的上下界。

举个例子:

证明数列 $a_n = frac{3n^2 + 1}{n^2 + 2}$ 是有界的。

1. 计算极限:
我们可以用“分子分母同除以最高次幂 $n^2$”的方法来计算极限:
$a_n = frac{3n^2 + 1}{n^2 + 2} = frac{frac{3n^2}{n^2} + frac{1}{n^2}}{frac{n^2}{n^2} + frac{2}{n^2}} = frac{3 + frac{1}{n^2}}{1 + frac{2}{n^2}}$
当 $n o infty$ 时,$frac{1}{n^2} o 0$ 且 $frac{2}{n^2} o 0$。
所以,$lim_{n o infty} a_n = frac{3 + 0}{1 + 0} = 3$。

2. 判断极限是否有限:
极限值 $3$ 是一个有限的实数。

结论: 由于数列 $a_n = frac{3n^2 + 1}{n^2 + 2}$ 收敛于 $3$,根据“收敛数列必有界”的定理,该数列是有界的。

补充说明: 虽然极限存在意味着有界,但反过来不成立。一个有界数列不一定收敛(例如交错数列 $a_n = (1)^n$ 是有界的,但它在 $1$ 和 $1$ 之间震荡,不收敛)。

4. 利用夹逼准则(Squeeze Theorem)

夹逼准则本身是用来证明收敛性的,但它也能帮助我们找到界限。如果你的数列被两个收敛到同一个有限值的数列“夹住”了,那么你的数列也一定收敛到那个值,自然就说明它有界。

思路:

1. 找到两个数列 ${b_n}$ 和 ${c_n}$,使得对于所有的 $n ge N$ (某个固定的 $N$),都有 $b_n le a_n le c_n$。
2. 证明 $lim_{n o infty} b_n = L$ 且 $lim_{n o infty} c_n = L$,其中 $L$ 是一个有限实数。
3. 根据夹逼准则,可以得出 $lim_{n o infty} a_n = L$。
4. 因为数列收敛到有限值 $L$,所以它是有界的。

举个例子:

证明数列 $a_n = frac{cos(n)}{n}$ 是有界的。

1. 寻找夹逼数列:
我们知道 $cos(n)$ 的值总是介于 $1$ 和 $1$ 之间,即 $1 le cos(n) le 1$。
对于 $n ge 1$,我们有 $n > 0$。将不等式除以 $n$(不改变方向):
$frac{1}{n} le frac{cos(n)}{n} le frac{1}{n}$
所以,我们可以设 $b_n = frac{1}{n}$ 和 $c_n = frac{1}{n}$。

2. 证明夹逼数列的极限:
$lim_{n o infty} b_n = lim_{n o infty} (frac{1}{n}) = 0$。
$lim_{n o infty} c_n = lim_{n o infty} (frac{1}{n}) = 0$。
两个极限都是有限的,并且等于 $0$。

3. 应用夹逼准则:
因为 $frac{1}{n} le frac{cos(n)}{n} le frac{1}{n}$,且 $lim_{n o infty} (frac{1}{n}) = lim_{n o infty} (frac{1}{n}) = 0$,
所以,根据夹逼准则,$lim_{n o infty} frac{cos(n)}{n} = 0$。

结论: 数列 $a_n = frac{cos(n)}{n}$ 收敛于 $0$。因此,它是有界的。

总结一下证明数列有界的常用方法:

1. 直接找界: 观察通项公式,直接找到一个上界 $M$ 和一个下界 $m$,使得对所有 $n$,都有 $m le a_n le M$。
2. 单调性结合界:
证明数列单调(递增或递减)。
找到单调数列的那个“方向”的界(递增找上界,递减找下界)。
根据单调有界定理,若能找到相应的界,则数列有界。
3. 利用极限: 计算数列的极限。如果极限是一个有限的实数,则数列有界。
4. 夹逼准则: 将数列夹在两个收敛到同一有限值的数列之间,从而证明其收敛,进而证明其有界。

选择哪种方法,很大程度上取决于数列的具体形式。有时候,一个方法行不通,换个思路或者换个方法可能就奏效了。最重要的是理解“有界”的含义——所有项都被“框”在某个范围内。

网友意见

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设 。如果令 ,那么 ,所以 。只需证明 和 都有上界。

第一个:

第二个:


这里可以使用Stolz–Cesàro定理:如果 单调无界,那么 。下面证明 有极限,从而上面的第二个式子就小于一个有极限的数列,所以有界。

user avatar

@simplex3 的回答很厉害,我这里揣测一下这样的思路。(其实是我来晚了。。。

其实很简单粗暴:把 解出来!没有比这更加自然的想法了。之后无论是来的什么东西都有办法想。

不过这个数列求解对初等技巧要求略微高了一点。我举一个简单例子:

设 ,求 。

做法是,两边除以 ,得到 。然后就得到 。

可以发现这里求解 的做法其实一样,需要两边除以的是 。

至于后面的暴力估计那倒是考察基本功。

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