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\author{唐绍东 \& TangShaodong}
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\zhtitle{微积分}
\zhend{备注}
\entitle{Calculus }
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\begin{document}
\maketitle
\tableofcontents
\mainmatter
\begin{example}
已知函数 $f(x)$ 满足关系式
\[af(x)+f\left(\frac{1}{x}\right)=\frac{b}{x}\quad(|a|\neq1\,,\;a\,,\;b,\,,\; \text{为常数})\]
确定 $f(x)$ 的奇偶性
\end{example}\begin{solution}
将 $x=\frac{1}{t}$ 代入关系式得 $af\left(\frac{1}{t}\right)+f(t)=bt$,
又将 $t$ 改为 $x$ 与关系式联立方程组
\[\begin{cases*}
af(x)+f\left(\frac{1}{x}\right)=\frac{b}{x}\\
af(x)+f(x)=\frac{b}{x}
\end{cases*}\]
可解得
\[f(x)=\frac{1}{a^2-1}\left(\frac{ab}{x}-bx\right)=\frac{ab-bx^2}{(a^2-1)x}\;(a\neq1)\,.\]
显然\[f(-x)=\frac{ab-b(-x)^2}{(a^2-1)(-x)}=-f(x)\]
所以 $f(x)$ 是奇函数
\end{solution}
\begin{example}
求函数 $f(x)=\sqrt{x^2-x+1}-\sqrt{x^2+x+1}$ 的反函数及反函数的定义域
\end{example}\begin{solution}
两边同时平方
\[f^2(x)=y^2=2+2x^2-2\sqrt{x^4+x^2+1}\]
移项\[(y^2-2-2x^2)=-2\sqrt{x^4+x^2+1}\]
两边同时平方\[(y^2-2-2x^2)^2=4(x^4+x^2+1)\Longrightarrow x^2=\frac{y^4-4y^2}{4y^2-4}\]
于是\[x=\pm\sqrt{\frac{y^4-4y^2}{4y^2-4}}\]
函数 $f(x)=\sqrt{x^2-x+1}-\sqrt{x^2+x+1}$ 的反函数为 $f(x)=\pm\sqrt{\frac{x^4-4x^2}{4x^2-4}}$
\end{solution}
\begin{example}
设 $f(x)$ 在 $[a,b]$ 上递增, 且有 $f(a)>a,f(b)<b$, 则存在 $x_0\in(a,b)$, 使得 $f(x_0)=x_0$.
\end{example}\begin{solution}
将 $[a,b]$ 二等分. 若 $f\left(\frac{a+b}{2}\right)=\frac{a+b}{2}$, 取 $x_0=\frac{a+b}{2}$. 否则作 $[a_1,b_1]$:
\[\begin{cases}
f\left(\frac{a+b}{2}\right)>\frac{a+b}{2} \;\text{时}\,,&[a_1,b_1]=\left[\frac{a+b}{2},b\right];\\[3mm]
f\left(\frac{a+b}{2}\right)<\frac{a+b}{2} \;\text{时}\,,&[a_1,b_1]=\left[a,\frac{a+b}{2}\right].
\end{cases}\]
显然, $f(a_1)>a_1,f(b_1)<b_1$. 再对 $[a_1,b_1]$ 二等分, 用类似的方法取定 $[a_2,b_2],\cdots$, 从而可得二等分区间套序列 $[a_n,b_n](n=1,2,\cdots)$, 其中 $f(a_n)>a_n,f(b_n)<b_n(n=1,2,\cdots)$. 根据闭区间套定理我们有 $x_0\in[a_n,b_n](n=1,2,\cdots)$, 以及 $a_n<f(a_n)\leqslant f(x_0)\leqslant f(b_n)<b_n$. 令 $n\to\infty$, 立即导出 $x_0=f(x_0)$.
\end{solution}
\begin{exercise}
已知 $ 0 < a\leqslant 1$, 求证 $ \left| x+y\right| ^{a}\leqslant \left| x\right| ^{a}+\left| y\right| ^{a}$.
\end{exercise}\begin{proof}
\[|x+y|^a\leqslant (|x|+|y|)^a=|x|(|x|+|y|)^{a-1}+|y|(|x|+|y|)^{a-1}\leqslant |x|^a+|y|^a.\]
\end{proof}
\begin{exercise}
求证不等式
\begin{enumerate}
\item $\big|x-y\big|\geqslant\big||x|-|y|\big|$
\item $\big|x+x_1+\cdots+x_n\big|\geqslant|x|-\big(|x_1|+\cdots+|x_n|\big)$
\end{enumerate}
\end{exercise}\begin{proof}
1) 由\[|x-y|=|x+(-y)|\geqslant|x|-|-y|=|x|-|y|\]
及\[|x-y|=|y-x|\geqslant|y|-|x|=-(|x|-|y|)\]
即得\[|x-y|\geqslant\big||x|-|y|\big|\]
也可如下证明:由 $|xy|\geqslant xy$ 知 \[x^2-2xy+y^2\geqslant x^2-2|xy|+y^2\]
即 $(x-y)^2\geqslant\big(|x|-|y|\big)^2$, 开方即得\[|x-y|\geqslant\big||x|-|y|\big|\]
2)\[\big|x+x_1+\cdots+x_n\big|\geqslant|x|-|x_1+\cdots+x_n|\]
而\begin{align*}
\big|x+x_1+\cdots+x_n\big|&\leqslant|x_1|+|x_2+\cdots+x_n|\\
&\leqslant \cdots\\
&\leqslant |x_1|+|x_2|+\cdots+|x_n|
\end{align*}
所以\[\big|x+x_1+\cdots+x_n\big|\geqslant|x|-\big(|x_1|+\cdots+|x_n|\big)\]
\end{proof}
%\begin{lemma}
%我们有如下不定积分公式:
%\[\int|x|^\alpha\dif x=\frac{|x|^\alpha\sgn x}{\alpha+1}+C\]
%\[\int|x|^\alpha\sgn x\dif x=\frac{|x|^\alpha}{\alpha+1}+C\]
%其中 $\alpha>0$ 为常数, $C$ 为任意常数.
%\end{lemma}
\begin{example}
求定积分\[\int_0^1x|x-a|\dif x\]
\end{example}\begin{solution} (by Hansschwarzkopf)
根据\[\int(x-a)|x-a|\dif x=\int|x-a|^2\sgn(x-a)\dif x=\frac{|x-a|^3}{3}+C.\]
\[\int|x-a|\dif x=\frac{|x-a|^2\sgn(x-a)}{2}+C\]
得到\[\int_0^1x|x-a|\dif x=\frac{|1-a|^3-|a|^3}{3}+a\frac{|1-a|^2\sgn(1-a)+a^2\sgn a}{2}\]
\end{solution}
\begin{example}
计算重积分 $\iint\limits_D|3x-4y|\dif x\dif y$, 其中 $D=[0,1]\times[0,1]$.
\end{example}\begin{solution} (by Hansschwarzkopf)
\begin{align*}
\iint\limits_D|3x-4y|\dif x\dif y&=\int_0^1\dif x\int_0^1|4y-3x|\dif y\\
&=\frac{1}{8}\int_0^1|4y-3x|^2\sgn(4y-3x)\Big|_0^1\dif x\\
&=\frac{1}{8}\int_0^1\big((4-3x)^2+9x^2\big)\dif x\\
&=\frac{1}{8}\left(\frac{(3x-4)^3}{9}+3x^3\right)\biggl|_0^1=\frac{5}{4}
\end{align*}
\end{solution}
\begin{example}
计算重积分 $\iint\limits_D\sqrt{\big|x-|y|\big|}\dif x\dif y$, 其中 $D=[0,2]\times[-1,1]$.
\end{example}\begin{solution} (by Hansschwarzkopf)
根据对称性,
\begin{align*}
\iint\limits_D\sqrt{\big|x-|y|\big|}\dif x\dif y&=2\int_0^1\dif y\int_0^2\sqrt{|x-y|}\dif x\\
&=\frac{4}{3}\int_0^1|x-y|^{\frac{3}{2}}\sgn(x-y)\Big|_0^2\dif y\\
&=\frac{4}{3}\int_0^1\Big((2-y)^{\frac{3}{2}}+y^{\frac{3}{2}}\Big)\dif x\\
&=\frac{32\sqrt{2}}{15}
\end{align*}
\end{solution}
\begin{example}
计算重积分 $\iint\limits_{|x|\leqslant1\atop 2\leqslant y\leqslant2}\sqrt{|y-x|}\dif x\dif y$, 其中 $D=[0,2]\times[-1,1]$.
\end{example}\begin{solution} (by Hansschwarzkopf)
根据对称性,
\begin{align*}
\iint\limits_{|x|\leqslant1\atop 2\leqslant y\leqslant2}\sqrt{|y-x|}\dif x\dif y
&=2\int_0^1|y-x^2|^{\frac{3}{2}}\sgn(y-x^2)\Big|_0^2\dif x\\
&=\frac{4}{3}\int_0^1\Big((2-x^2)^{\frac{3}{2}}+x^3\Big)\dif x\\
&=\frac{16}{3}\int_0^{\frac{\pi}{4}}\cos^4t\dif t+\frac{1}{3}\\
&=\frac{\pi}{2}+\frac{5}{3}
\end{align*}
\end{solution}
\begin{example}
计算重积分 $I=\iint\limits_D\min\{2,x^2y\}\dif x\dif y$, 其中 $D=[0,4]\times[0,3]$.
\end{example}\begin{solution} (by Hansschwarzkopf)
容易算出
\[I_1=\iint\limits_D\frac{x^2y+2}{2}\dif x\dif y=60\]
另一方面,\begin{align*}
I_2&=\iint\limits_D\frac{|x^2y-2|}{2}\dif x\dif y\\
&=\int_0^4\dif x\int_0^3\frac{|x^2y-2|}{2}\dif y=\int_0^4\frac{(x^2y-2)^2\sgn(x^2y-2)}{4x^2}\Big|_0^3\dif x\\
&=\int_0^4\frac{(3x^2-2)^2\sgn(3x^2-2)+4}{4x^2}\dif x\\
&=\int_0^{\sqrt{\frac{2}{3}}}\left(3-\frac{9x^2}{4}\right)\dif x+\int_{\sqrt{\frac{2}{3}}}^4\left(\frac{9x^2}{4}-3+\frac{2}{x^2}\right)\dif x\\
&=\frac{5\sqrt{6}}{6}+\frac{71}{2}+\frac{11\sqrt{6}}{6}=\frac{71}{2}+\frac{8\sqrt{6}}{3}
\end{align*}
从而\[I=I_1-I_2=\frac{49}{2}-\frac{8\sqrt{6}}{3}\]
\end{solution}
\begin{example}
计算重积分 $\iint\limits_{[0,1]\times [0.1]}|x^2+y^2-1|\mathrm{d}x\mathrm{d}y$.
\end{example}\begin{solution} %(by Hansschwarzkopf)
\begin{align*}
\iint\limits_{[0,1]\times [0.1]}|x^2+y^2-1|\mathrm{d}x\mathrm{d}y
&=\int_0^1\mathrm{d} x\int_0^1|x^2+y^2-1|\mathrm{d} y \\ &=\int_0^1\mathrm{d} x\int_0^1(x^2+y^2-1)\mathrm{sgn}(x^2+y^2-1)\mathrm{d} y\\ &=\int_0^1\left(x^2y+\frac{y^3}{3}-y+\frac{2}{3}(1-x^2)^{\frac{2}{3}}\right)\mathrm{sgn}(x^2+y^2-1)\Big|_0^1\mathrm{d} x\\ &=\int_0^1\left(x^2-\frac{2}{3}+\frac{4}{3}(1-x^2)^{\frac{3}{2}}\right)\mathrm{d} x\\ &=-\frac{1}{3}+\frac{4}{3}\int_0^{\frac{\pi}{2}}\cos^4 t\mathrm{d} t\\
&=\frac{\pi}{4}-\frac{1}{3}.
\end{align*}
\end{solution}
\chapter{极限}
\begin{example}
利用定义证明 $\lim\limits_{n\to \infty}c=c$
\end{example}\begin{proof}
$\forall \varepsilon >0$, 因为 $$|x_n-c|=|c-c|=0,$$
所以对任意的自然数 $n$, 都有 $|x_n-c|<\varepsilon,$ 即 $\lim\limits_{n\to \infty}c=c$.
\end{proof}
\begin{example}
利用定义证明 $\lim\limits_{n\to \infty}\frac{(-1)^n}{n}=0$.
\end{example}\begin{proof}
首先有 $$|x_n-0|=\Big|\frac{(-1)^n}{n}-0\Big|=\frac{1}{n}.$$ 因此 $\forall \varepsilon >0$,
要使 $|x_n-0|<\varepsilon$, 只需要 $\frac{1}{n}<\varepsilon$, 即 $n>\frac{1}{\varepsilon}$.
故取正整数 $N=\Big[\frac{1}{\varepsilon}\Big]+1$, \\
则当 $n>N$ 时, 就有$$\Big|\frac{(-1)^n}{n}-0\Big|<\varepsilon,$$
即 $\lim\limits_{n\to \infty}\frac{(-1)^n}{n}=0$. 证毕.
\end{proof}
\begin{example}
利用定义证明 $\lim\limits_{n\to \infty}q^{n-1}=0$.
\end{example}\begin{proof}
由于 $$|x_n-0|=|q^{n-1}-0|=|q|^{n-1},$$ 因此 $\forall \varepsilon >0,$
要使 $|x_n-0|<\varepsilon$, 只要
$$|q|^{n-1}<\varepsilon.$$
两边取自然对数, 得 $$(n-1)\ln|q|<\ln\varepsilon.$$ 因 $|q|<1, \ln|q|<0,$
故
$$n>\frac{\ln\varepsilon}{\ln|q|}+1.$$
当 $\varepsilon>1$ 时, $\frac{\ln \varepsilon}{\ln|q|}$ 是负数, 这时可取 $N=1$. 当 $\varepsilon<1$ 时, 取
$$N=\Big[\frac{\ln \varepsilon}{\ln|q|}+1\Big],$$
则当 $n>N$ 时, 就有
$$|q^{n-1}-0|<\varepsilon,$$
即 $\lim\limits_{n\to \infty}q^{n-1}=0$. 证毕.
\end{proof}
\begin{example}
用定义验证: $\lim_{n\to\infty}\frac{n^2}{3n^2-n-7}=\frac{1}{3}$.
\end{example}\begin{proof}
任给 $\varepsilon>0$, 由
\[\left|\frac{n^2}{3n^2n-7}-\frac{1}{3}\right|=\frac{n+7}{3(3n^2-n-7)}\]
{\color{blue}当 $n\geqslant7$ 时}, $n+7\leqslant2n$, $3n^2-n-7\geqslant3n^2-2n\geqslant 2n^2$\\
故要使\[\left|\frac{n^2}{3n^2n-7}-\frac{1}{3}\right|\leqslant\frac{2n}{6n^2}=\frac{1}{3n}<\varepsilon\]
只要 $n>\frac{1}{3\varepsilon}$ 即可.\\
对于任意的正数 $\varepsilon$ , 取 {\color{blue}$N=\max\Big\{7,\big[\tfrac{1}{3\varepsilon}\big]\Big\}$}, 当 $n>N$ 时, 有\[\left|\frac{n^2}{3n^2-n-7}-\frac{1}{3}\right|<\varepsilon\]
即得\[\lim_{n\to\infty}\frac{n^2}{3n^2-n-7}=\frac{1}{3}\]
\end{proof}
\begin{property}
有限个无穷小的和仍是无穷小.
\end{property}
\begin{property}
有限个无穷小的乘积仍是无穷小.
\end{property}
\begin{property}
有界函数和无穷小的乘积是无穷小.
\end{property}\begin{proof}
设函数 $u(x)$ 在 $x_0$ 的某一去心邻域 $\overset{\circ}{U}(x_0,\delta_1)$ 内是有界的, \\
即 $\exists M>0$ 使得 $|u(x)|\leqslant M$ 对一切 $x\in \overset{\circ}{U}(x_0,\delta_1)$ 成立. 又设 $\alpha$ 是当 $x\to x_0$ 时的无穷小, \\
即 $\forall \varepsilon>0,\exists \delta_2>0,$ 当 $x\in \overset{\circ}{U}(x_0,\delta_2)$ 时, 有
$$|\alpha|<\frac{\varepsilon}{M}.$$
取 $\delta={\rm {min}}\{\delta_1,\delta_2\},$ 则当 $x\in \overset{\circ}{U}(x_0,\delta)$ 时,
$$|u|\leqslant M\quad \mbox{和}\quad |\alpha|<\frac{\varepsilon}{M}$$
同时成立. 从而
$$|u\alpha|=|u||\alpha|<M\cdot\frac{\varepsilon}{M}=\varepsilon.$$
即 $\lim\limits_{x\to x_0}u\alpha=0$.
\end{proof}
% 无穷多个无穷小量的乘积不一定是无穷小量.
\begin{example}
设数列~$a_n$~满足级数~$|a_1|+|a_2|+\cdots+|a_n|+\cdots$~收敛,\\ 证明:~$\displaystyle\lim_{p\to\infty}(|a_1|^p+|a_2|^p+\cdots+|a_n|^p+\cdots)^{\frac{1}{p}}$~的极限存在, 并求之.
\end{example}\begin{proof}
记\[||a||_p=\left(|a_1|^p+|a_2|^p+\cdots+|a_n|^p+\cdots\right)^{\frac{1}{p}}, ~(p>0)\]
由于~$|a_1|+|a_2|+\cdots+|a_n|+\cdots$ 收敛, 所以$\displaystyle\lim_{n\to\infty}|a_n|=0, \sup|a_n|$存在\\
易证~$|a_n|\leq ||a||_q~(q>1, n=1,2,3,\cdots)$, 于是~$\sup |a_n|\leq ||a||_q$, 对~$1<q<p$
\begin{align*}
||a||_p&=(|a_1|^p+|a_2|^p+\cdots+|a_n|^p+\cdots)^{\frac{1}{p}}\\
&= (|a_1|^{p-q}|a_1|^q+|a_2|^{p-q}|a_2|^q+\cdots+|a_n|^{p-q}|a_n|^q+\cdots)^{\frac{1}{p}}\\
&\leq ||a||_q^{\frac{p-q}{p}}(|a_1|^q+|a_2|^q+\cdots+|a_n|^q+\cdots)^{\frac{1}{p}}\\
&\leq ||a||_q^{\frac{p-q}{p}}||a||_q^{\frac{q}{p}}=||a||_q
\end{align*}
故~$||a||_p \leq ||a||_q$, 所以~$||a||_p$~关于~$p$~单调递减且有下界.
于是有
\[a_n\leq ||a||_p\leq (\sup a_n)^{1-\frac{q}{p}}||a||_q^{\frac{q}{p}}\]
当~$p\to+\infty$~时, 有夹逼定理, $\displaystyle\lim_{p\to+\infty}||a||_p=\sup |a_n|$
\end{proof}
%\begin{example}
%设 $x_n=\sqrt{1+\frac{1}{n^{k}}}\;(k\in {\bf N}^+)$, 用定义证明 $\lim\limits_{n\to \infty}x_n=1$.
%\end{example}\begin{proof}
%首先,
%$$|x_n-1|=\left|\sqrt{1+\frac{1}{n^{k}}}-1\right|=\sqrt{1+\frac{1}{n^{k}}}-1=\frac{\dfrac{1}{n^k}}{\sqrt{1+\frac{1}{n^{k}}}+1}<\frac{1}{2n^k}<\frac{1}{n}.$$
%因此 $\forall 0<\varepsilon <1,$ 要使 $|x_n-1|<\varepsilon$, 只要 $\frac{1}{n}<\varepsilon$, 即 $n>\frac{1}{\varepsilon}$.
%故取正整数 $N=\Big[\frac{1}{\varepsilon}\Big]$, \\
%则当 $n>N$ 时, 就有 $\frac{1}{n}<\varepsilon$, 从而有
%$$\left|\sqrt{1+\frac{1}{n^{k}}}-1\right|<\varepsilon,$$
%即 $\lim\limits_{n\to \infty}x_n=1$. 证毕.
%\end{proof}
\begin{example}
利用定义证明 $\lim\limits_{n\to\infty}\frac{3n-1}{2n+1}=\frac{3}{2}$.
\end{example}\begin{proof}
首先有 \[\left|\frac{3n-1}{2n+1}-\frac{3}{2}\right|=\frac{5}{2(2n+1)}<\frac{5}{4n}.\]
因此 $\forall \varepsilon >0$,
要使 $\left|\frac{3n-1}{2n+1}-\frac{3}{2}\right|<\varepsilon$, 只需要 $\frac{5}{4n}<\varepsilon$, 即 $n>\frac{5}{4\varepsilon}$.
故取正整数 $N=\Big\lfloor\frac{5}{4\varepsilon}\Big\rfloor$, \\
则当 $n>N$ 时, 就有\[\left|\frac{3n-1}{2n+1}-\frac{3}{2}\right|<\varepsilon,\]
即 $\lim\limits_{n\to\infty}\frac{3n-1}{2n+1}=\frac{3}{2}$.
\end{proof}
\begin{example}
用定义证明: $\lim_{n\to\infty}\frac{n+2}{n^2-2}\sin n=0$
\end{example}\begin{solution}
首先有 \[\left|\frac{n+2}{n^2-2}\sin n-0\right|\leqslant\left|\frac{n+2}{n^2-2}\right|<\frac{n+2}{n^2-4}=\frac{1}{n-2}\,,\;n\geqslant3\]
因此, $\forall \varepsilon >0$,
要使 $\left|\frac{n+2}{n^2-2}\sin n-0\right|<\varepsilon$, 只需要 $\frac{1}{n-2}<\varepsilon$, 即 $n>\frac{1}{\varepsilon}+2$.\\
故取正整数 $N=\big\lfloor\tfrac{1}{\varepsilon}+2\big\rfloor+1$,
则当 $n>N$ 时, 就有\[\left|\frac{n+2}{n^2-2}\sin n-0\right|<\varepsilon,\]
即 $\lim_{n\to\infty}\frac{n+2}{n^2-2}\sin n=0$.
\end{solution}
\begin{example}
证明 $\lim\limits_{x\to x_0}c=c.$
\end{example}\begin{proof}
首先 $|f(x)-A|=|c-c|=0$.\\
故 $\forall\varepsilon >0$, 任取 $\delta>0,$ 当 $0<|x-x_0| <\delta$ 时, 有 $|f(x)-A|<\varepsilon,$ 所以 $\lim\limits_{x\to x_0}c=c.$
\end{proof}
\begin{example}
证明 $\lim\limits_{x\to x_0}x=x_0.$
\end{example}\begin{proof}
首先 $|f(x)-A|=|x-x_0|$.\\
故 $\forall\varepsilon >0$, 取 $\delta =\varepsilon$, 当 $0<|x-x_0|<\delta$ 时, 有
$ |f(x)-A|<\varepsilon,$
即 $\lim\limits_{x\to x_0}x=x_0$.
\end{proof}
\begin{example}
利用定义证明 $\lim\limits_{x\to 1}(3x-2)=1.$
\end{example}\begin{proof}
$|f(x)-A|=|(3x-2)-1|=3|x-1|$.\\
$\forall\varepsilon >0$, 要使 $|f(x)-A|<\varepsilon,$ 只要 $3|x-1|<\varepsilon,$ 即 $|x-1|<\frac{1}{3}\varepsilon$.\\
故取 $\delta =\frac{\varepsilon}{3}$, 则当 $0<|x-1|<\delta$ 时, 有
$$|(3x-2)-1|<3\cdot\frac{\varepsilon}{3}=\varepsilon.$$
即 $\lim\limits_{x\to 1}(3x-2)=1.$ 证毕.
\end{proof}
\begin{example}
证明: 当 $x_0>0$ 时, $\lim\limits_{x\to x_0}\sqrt{x}=\sqrt{x_0}$.
\end{example}\begin{proof}
$|f(x)-A|=|\sqrt{x}-\sqrt{x_0}|=\Big |\frac{x-x_0}{\sqrt{x}+\sqrt{x_0}}\Big |\leqslant \frac{1}{\sqrt{x_0}}|x-x_0|$.\\
$\forall\varepsilon >0$, 要使 $|f(x)-A|<\varepsilon,$ 只要 $ \frac{1}{\sqrt{x_0}}|x-x_0|<\varepsilon,$ \\
即 $|x-x_0|<\sqrt{x_0}\varepsilon$. 同时由于 $\sqrt{x}$ 的定义域是 $x\geqslant 0$, 这可用 $|x-x_0|\leqslant x_0$ 保证.\\
故取 $\delta ={\rm {min}}\{x_0,\sqrt{x_0}\varepsilon\}$, 则当 $0<|x-x_0|<\delta$ 时, 有 $x\geqslant 0$, 且
$$|\sqrt{x}-\sqrt{x_0}|<\varepsilon.$$
从而 $\lim\limits_{x\to x_0}\sqrt{x}=\sqrt{x_0}.$ 证毕.
\end{proof}
\begin{example}
证明: $\lim\limits_{x\to-1}x^2=1$.
\end{example}\begin{proof}
因为 $x\to-1$, 我们可以设 $|x-(-1)|=|x+1|<1$, 也就是 $-2<x<0$,\\
从而有, $|x-1|<3$, 于是\[|x^2-1|=|x-1|\cdot|x+1|<3|x+1|<\varepsilon\]
因此, $\forall \,\varepsilon>0$, 要使 $|x^2-1|<\varepsilon$, 只要 $|x+1|<\tfrac{1}{3}\varepsilon$, 又 $|x-1|<3$,\\
即只要取 $\delta=\min\{1,\tfrac{\varepsilon}{3}\}$,
当 $0<|x+1|<\delta$ 时, $|x^2-1|<\varepsilon$ 成立, \\
故 $\lim\limits_{x\to-1}x^2=1$.
\end{proof}%\begin{remark}
限定不唯一, 如:还可以设 $|x-(-1)|=|x+1|<\tfrac{1}{2}$, 也就是 $-\tfrac{3}{2}<x<-\tfrac{1}{2}$, 得到
\[|x^2-1|=|x-1|\cdot|x+1|<\frac{5}{2}|x+1|<\varepsilon\,,\,|x+1|<\frac{2}{5}\varepsilon\]
于是取 $\delta=\min\{\tfrac{1}{2},\tfrac{2}{5}\varepsilon\}$
%\end{remark}
\begin{theorem}{}{}
\[\lim\limits_{x\to 0}\frac{\sin x}{x}=1.\]
\end{theorem}\begin{proof}
当 $x\ne 0$ 时, 函数 $\frac{\sin x}{x}$ 有定义. 因为
$$|\sin x|<|x|<|\tan x|\quad \left(-\frac{\pi}{2}<x<\frac{\pi}{2}\right)$$
不等式两边同除以 $|\sin x|$, 得到
$$1<\Big| \frac{x}{\sin x}\Big|<\frac{1}{|\cos x|},$$
由于当 $-\frac{\pi}{2}<x<\frac{\pi}{2}$ 时, $\frac{x}{\sin x}>0,\frac{1}{\cos x}>0$, 从而有
$$ 1<\frac{x}{\sin x}<\frac{1}{\cos x}\quad \mbox{或}\quad 1>\frac{\sin x}{ x}>\cos x.$$
于是有
$$0<1-\frac{\sin x}{ x}<1-\cos x=2\sin^2\frac{x}{2}\leqslant 2\Big(\frac{x}{2}\Big)^2=\frac{1}{2}x^2,\eqno (1\mbox{-}2)$$
而 $\lim\limits_{x\to 0}\frac{1}{2}x^2=0$, 所以由夹逼定理得到
\[\lim_{x\to 0}\Big(1-\frac{\sin x}{x}\Big)=0\Longleftrightarrow \lim_{x\to 0}\frac{\sin x}{x}=1\]
\end{proof}
\begin{example}
(2017/10/20)求极限 $\lim_{x\to\infty}\big(\cos\sqrt{x+1}-\cos\sqrt{x}\big)$
\end{example}\begin{newproof}
\[\cos\alpha-\cos\beta=-2\sin\frac{\alpha+\beta}{2}\sin\frac{\alpha-\beta}{2}\]
\begin{align*}
\text{原式}
&\xlongequal{\text{和差化积}}-2\lim_{x\to\infty}\sin\frac{\sqrt{x+1}-\sqrt{x}}{2}\sin\frac{\sqrt{x+1}+\sqrt{x}}{2}\\
&\xlongequal{\text{有理化}}-2\lim_{x\to\infty}\sin\frac{1}{2(\sqrt{x+1}+\sqrt{x})}\sin\frac{\sqrt{x+1}+\sqrt{x}}{2}\\
&\xlongequal{\sin x\sim x}-2\lim_{x\to\infty}\frac{1}{2(\sqrt{x+1}+\sqrt{x})}\sin\frac{\sqrt{x+1}+\sqrt{x}}{2}\\
&\xlongequal{\text{有界乘无穷小量}}0
\end{align*}
\end{newproof}
\begin{exercise}
计算\[\lim_{n\to \infty}\left(\frac{\sum_{k=1}^{n}\sin(\frac{2k}{2n})}{\sum_{k=1}^{n}\sin(\frac{2k-1}{2n})}\right)^{n}=e^{2\cot(1/2)}\]
\end{exercise}\begin{newproof}
Using what is inside the parentheses:
\[\sum_{k=1}^{n}\sin(k/n)=\frac{1}{2i}\sum_{k=1}^{n}\left(e^{\frac{ki}{n}}-e^{\frac{-ki}{n}}\right)\]
\[\sum_{k=1}^{n}\sin(\frac{2k-1}{2n})=\frac{1}{2i}\sum_{k=1}^{n}\left(e^{\frac{(2k-1)i}{2n}}-e^{\frac{-(2k-1)i}{2n}}\right)\]
So, we get:
\[\frac{\frac{1}{2i}\sum_{k=1}^{n}\left(e^{\frac{ki}{n}}-e^{\frac{-ki}{n}}\right)}{\frac{1}{2i}\sum_{k=1}^{n}\left(e^{\frac{(2k-1)i}{2n}}-e^{\frac{-(2k-1)i}{2n}}\right)}\]
Now, factor a little:
\[\frac{\sum_{k=1}^{n}\left(e^{i/n}\right)^{k}-\sum_{k=1}^{n}\left(e^{-i/n}\right)^{k}}{e^{-i/2n}\sum_{k=1}^{n}\left(e^{i/n}\right)^{k}-e^{i/2n}\sum_{k=1}^{n}\left(e^{-i/2n}\right)^{k}}\]
These are partial geometric series. They should simplify down. \\
The top left one evaluates to \[\frac{(e^{i}-1)e^{i/n}}{e^{i/n}-1}\]
The top right one: \[\frac{(e^{i}-1)e^{-i}}{e^{i/n}-1}\]
The bottom left: \[\frac{e^{-i/2n}(e^{i}-1)e^{i/n}}{e^{i/n}-1}\]
The bottom right: \[\frac{e^{i/2n}(e^{i}-1)e^{-i}}{e^{i/n}-1}\]
Putting these altogether, it should whittle down to some trig functions involving sin and/or cos. But, I have not finished yet.\\
It looks encouraging though.\\
EDIT:\\
Well, I spent some time trying to hammer down the results of the sums above.\\
They become:
\[\frac{\sin(1/n+1)-\sin(1/n)-\sin(1)}{\sin(1/2n+1)+\sin(1/2n-1)-2\sin(1/2n)}\]
this is equivalent to:
\[\frac{\cos(1/2n)\sin(1/2)+\sin(1/2n)\cos(1/2)}{\sin(1/2)}\]
Using the product-to-sum formulas on the numerator, it whittles down to:
\(=\frac{\sin(\frac{n+1}{2n})}{\sin(1/2)}\)\\
But, I admit I left tech do most of the work and played around with some trial and error.\\
So, we finally get:
\[\lim_{n\to \infty}\left(\frac{\sin(\frac{n+1}{2n})}{\sin(1/2)}\right)^{n}\]
Now, since this is a limit and there is an 'e' in the required solution, I figured I would make the sub \(\displaystyle n=1/k\) in order to get something that resembles the 'e' limit.
\[\lim_{k\to 0}\left(\frac{\sin(\frac{k+1}{2})}{\sin(1/2)}\right)^{1/k}\]
So, take logs:
\[\lim_{k\to 0}\frac{1}{k}[\log(\sin(\frac{k+1}{2})-\log(\sin(1/2))]\]
Using L'Hopital and taking this limit:
\[\lim_{k\to 0}\frac{1}{2}\cot(\frac{k+1}{2})\]
results in \[1/2\cot(1/2)\]
Now, e: \[e^{1/2\cot(1/2)}=e^{\frac{1}{2\tan(1/2)}}\]
\end{newproof}
\begin{example}
求极限: $\lim_{n\to\infty}\left(\frac{1}{2}+\frac{3}{4}+\frac{5}{8}+\cdots+\frac{2n-1}{2^n}\right)$.
\end{example}\begin{solution}
由于 $\frac{2n-1}{2^n}=\frac{2n+1}{2^{n-1}}-\frac{2n+3}{2^n}$, 故
\begin{align*}
\lim_{n\to\infty}\sum_{k=1}^{n}\frac{2k-1}{2^k}
&=\lim_{n\to\infty}\sum_{k=1}^{n}\bigg(\frac{2n+1}{2^{n-1}}-\frac{2n+3}{2^n}\bigg)\\
&=\lim_{n\to\infty}\left(\bigg(3-\frac{5}{2}\bigg)+\bigg(\frac{5}{2}-\frac{7}{4}\bigg)+\cdots+\bigg(\frac{2n+1}{2^{n-1}}-\frac{2n+3}{2^n}\bigg)\right)\\
&=\lim_{n\to\infty}\bigg(3-\frac{2n+3}{2^n}\bigg)=3
\end{align*}
显然,
\begin{align*}
{\color{red}\frac{2n-1}{2^n}}&={\color{blue}\frac{an+b}{2^{n-1}}}-\frac{cn+d}{2^n}={\color{red}\frac{(2a-c)n-(d-2b)}{2^n}}\\[3mm]
\frac{2(n-1)-1}{2^{n-1}}&=\frac{a(n-1)+b}{2^{n-2}}-\frac{c(n-1)+d}{2^{n-1}}=\frac{a(n-1)+b}{2^{n-2}}-{\color{blue}\frac{cn+d-c}{2^{n-1}}}
\end{align*}
若通项能裂项, 则需满足
\[{\color{blue}
\begin{cases}
a=c\\
b=d-c
\end{cases}}\text{及}\quad{\color{red}\begin{cases}
2=2a-c\\
1=d-2b
\end{cases}}\]
解之得, $a=c=2,d=3,b=1$, 因此
\[\frac{2n-1}{2^n}=\frac{2n+1}{2^{n-1}}-\frac{2n+3}{2^n}\]
同时可以看出 $a=c$ 是一般的. 若通项为 $\frac{3n-2}{5^n}$. 同样的算法\\
\begin{align*}
{\color{red}\frac{3n-2}{5^n}}&={\color{blue}\frac{an+b}{5^{n-1}}}-\frac{cn+d}{5^n}={\color{red}\frac{(5a-c)n-(d-5b)}{5^n}}\\[3mm]
\frac{3(n-1)-2}{5^{n-1}}&=\frac{a(n-1)+b}{5^{n-2}}-\frac{c(n-1)+d}{5^{n-1}}=\frac{a(n-1)+b}{2^{n-2}}-{\color{blue}\frac{cn+d-c}{5^{n-1}}}
\end{align*}
若通项能裂项, 则需满足
\[{\color{blue}
\begin{cases}
a=c\\
b=d-c
\end{cases}}\text{及}\quad{\color{red}\begin{cases}
3=5a-c\\
2=d-5b
\end{cases}}\]
解之得, $a=c=\frac{3}{4},d=\frac{7}{16},b=-\frac{5}{16}$, 因此
\[\frac{3n-2}{5^n}=\frac{\frac{3}{4}n-\frac{5}{16}}{5^{n-1}}-\frac{\frac{3}{4}n+\frac{7}{16}}{5^n}=\frac{1}{16}\bigg(\frac{12n-5}{5^{n-1}}-\frac{12n+7}{5^{n}}\bigg)\]
\end{solution}
\begin{example}
证明: $\lim\limits_{x\to-1}x^2=1$.
\end{example}\begin{proof}
因为 $x\to-1$, 我们可以设 $|x-(-1)|=|x+1|<1$, 也就是 $-2<x<0$,\\
从而有, $|x-1|<3$, 于是\[|x^2-1|=|x-1|\cdot|x+1|<3|x+1|<\varepsilon\]
因此, $\forall \,\varepsilon>0$, 要使 $|x^2-1|<\varepsilon$, 只要 $|x+1|<\tfrac{1}{3}\varepsilon$, 又 $|x-1|<3$,\\
即只要取 $\delta=\min\{1,\tfrac{\varepsilon}{3}\}$,
当 $0<|x+1|<\delta$ 时, $|x^2-1|<\varepsilon$ 成立, \\
故 $\lim\limits_{x\to-1}x^2=1$.
\begin{remark}
我们也可以设 $|x-(-1)|=|x+1|<\frac{1}{2}$, 也就是 $-\frac{3}{2}<x<-\frac{1}{2}$,\\
得到\[|x^2-1|=|x-1|\cdot|x+1|<\frac{5}{2}|x+1|<\varepsilon\,,\,|x+1|<\frac{2}{5}\varepsilon\]
令:$\delta=\min\{\tfrac{1}{2},\tfrac{2}{5}\varepsilon\}$\\
我们也可以设 $|x-(-1)|=|x+1|<2$, 也就是 $-3<x<1$,\\
得到\[|x^2-1|=|x-1|\cdot|x+1|<4|x+1|<\varepsilon\,,\,|x+1|<\frac{1}{4}\varepsilon\]
令:$\delta=\min\{2,\tfrac{1}{4}\varepsilon\}$\\
我们也可以设 $|x-(-1)|=|x+1|<\frac{1}{3}$, 也就是 $-\frac{4}{3}<x<-\frac{2}{3}$,\\
得到\[|x^2-1|=|x-1|\cdot|x+1|<\frac{7}{2}|x+1|<\varepsilon\,,\,|x+1|<\frac{2}{7}\varepsilon\]
令:$\delta=\min\{\tfrac{1}{3},\tfrac{2}{57}\varepsilon\}$
\end{remark}
\end{proof}
\begin{example}
求极限: $\lim_{x\to0}\frac{1-\cos x\sqrt{\cos x}}{x^2}$.
\end{example}\begin{solution}
\begin{align*}
\lim_{x\to0}\frac{1-\cos x\sqrt{\cos x}}{x^2}
&=\lim_{x\to0}\frac{1-\sqrt{\cos^3x}}{x^2}=\lim_{x\to0}\frac{1-\sqrt{1+(\cos^3x-1)}}{x^2}\\
&=\lim_{x\to0}\frac{\frac{1}{2}(\cos^3x-1)}{x^2}=\frac{1}{2}\lim_{x\to0}\frac{[1+(\cos x-1)]^3-1}{x^2}\\
&=\frac{1}{2}\lim_{x\to0}\frac{3(\cos x-1)}{x^2}=\frac{3}{2}\lim_{x\to0}\frac{\frac{1}{2}x^2}{x^2}=\frac{3}{4}
\end{align*}
\end{solution}
\begin{example}
求极限: $\lim_{x\to0}\frac{1-\cos x\sqrt{\cos2x}}{x^2}$.
\end{example}\begin{solution}
\begin{align*}
\lim_{x\to0}\frac{1-\cos x\sqrt{\cos2x}}{x^2}
&=\lim_{x\to0}\frac{1-\cos^2x\cos2x}{x^2(1+\cos x\sqrt{\cos2x})}\\
&\xlongequal{1=\sin^2x+\cos^2x}\frac{1}{2}\lim_{x\to0}\frac{\cos^2(1-\cos2x)+\sin^2x}{x^2}\\
&\xlongequal{\text{极限的四则运算}}\frac{1}{2}\lim_{x\to0}\cos^2x\lim_{x\to0}\frac{1-\cos2x}{x^2}+\frac{1}{2}\lim_{x\to0}\frac{\sin^2x}{x^2}\\
&=\frac{1}{2}\lim_{x\to0}\frac{\frac{1}{2}(2x)^2}{x^2}+\frac{1}{2}\lim_{x\to0}\frac{x^2}{x^2}=\frac{3}{2}
\end{align*}
\end{solution}
\begin{example}
求极限 $\lim_{x\to0}\left(\frac{1}{x^2}-\frac{1}{\sin^2x}\right)$
\end{example}\begin{solution}
\begin{align*}
\lim_{x\to0}\left(\frac{1}{x^2}-\frac{1}{\sin^2x}\right)
&=\lim_{x\to0}\frac{\sin^2x-x^2}{x^2\sin^2x}\\
&=\lim_{x\to0}\frac{(\sin x-x)(\sin x+x)}{x^4}\\
&=\lim_{x\to0}\frac{\sin x-x}{x^3}\times\lim_{x\to0}\frac{\sin x+x}{x}\\
&=\lim_{x\to0}\frac{\cos x-1}{3x^2}\times\lim_{x\to0}\frac{\cos x+1}{1}\\
&=2\lim_{x\to0}\frac{-\frac{1}{2}x^2}{3x^2}=-\frac{1}{3}
\end{align*}
\end{solution}
\begin{example}(2017/10/8)
求极限\[\lim_{x\to0^+}\frac{\sqrt{1-e^{-2x}}-\sqrt{1+2x-\cos x}}{\sqrt{x^3}}\]
\end{example}\begin{newproof}
\begin{align*}
\text{原式}&\xlongequal{\text{有理化}}\lim_{x\to0^+}\frac{-e^{-2x}-2x+\cos x}{\sqrt{x^3}\big(\underbrace{\sqrt{1-e^{-2x}}}_{\sim\sqrt{2x}}+\underbrace{\sqrt{1+2x-\cos x}\big)}_{\sim\sqrt{2x}}}\\
&\xlongequal{\text{等价无穷小}}\lim_{x\to0^+}\frac{\cos x-e^{-2x}-2x}{2\sqrt{2}x^2}\\
&\xlongequal{\text{洛必达}}\lim_{x\to0^+}\frac{-\sin x+2e^{-2x}-2}{4\sqrt{2}x}\\
&\begin{cases}
\xlongequal{\text{等价无穷小}}\lim_{x\to0^+}\frac{-x+(-4x)}{4\sqrt{2}x}=-\frac{5}{4\sqrt{2}}\\
\xlongequal{\text{洛必达}}\lim_{x\to0^+}\frac{-\cos x-4e^{-2x}}{4\sqrt{2}}=-\frac{5}{4\sqrt{2}}
\end{cases}
\end{align*}\begin{align*}
\text{原式}&\xlongequal{\text{有理化}}\lim_{x\to0^+}\frac{-e^{-2x}-2x+\cos x}{\sqrt{x^3}\big(\underbrace{\sqrt{1-e^{-2x}}}_{\sim\sqrt{2x}}+\underbrace{\sqrt{1+2x-\cos x}\big)}_{\sim\sqrt{2x}}}\\
&\xlongequal{\text{等价无穷小}}\lim_{x\to0^+}\frac{\cos x-e^{-2x}-2x}{2\sqrt{2}x^2}\\
&\xlongequal{\text{泰勒展开}}\lim_{x\to0^+}\frac{\Big(1-\frac{1}{2!}x^2+o(x^2)\Big)-\Big(1+(-2x)+\frac{1}{2!}(-2x)^2+o(x^2)\Big)-2x}{2\sqrt{2}x^2}\\
&=\lim_{x\to0^+}\frac{\Big(-\frac{1}{2!}-\frac{1}{2!}(-2)^2\Big)x^2}{2\sqrt{2}x^2}=-\frac{5}{4\sqrt{2}}
\end{align*}
\end{newproof}
\begin{exercise}
求极限\begin{equation*}\lim_{x\to 0}x^6\left(\frac{1}{\sin^8x}-\frac{1}{x^8}\right)\end{equation*}
\end{exercise}\begin{Solution}\begin{align*}
\lim_{x\to 0}x^6\left(\frac{1}{\sin^8x}-\frac{1}{x^8}\right)=&\lim_{x\to 0}\frac{x^8-\sin^8x}{x^2\sin^{8}x}\\
=&\lim_{x\to 0}\frac{(x^4-\sin^4x)(x^4+\sin^4x)}{x^{10}}\\
=&2\lim_{x\to 0}\frac{x^4-\sin^4x}{x^6}\\
=&2\lim_{x\to 0}\frac{(x^2-\sin^2x)(x^2+\sin^2x)}{x^6}\\
=&4\lim_{x\to 0}\frac{x^2-\sin^2x}{x^4}\\
=&4\lim_{x\to 0}\frac{(x-\sin x)(x+\sin x)}{x^4}\\
=&8\lim_{x\to 0}\frac{x-\sin x}{x^3}\\
=&8\lim_{x\to 0}\frac{1-\cos x}{3x^2}=\frac{8}{3}\lim_{x\to 0}\frac{\frac{1}{2}x^2}{x^2}\\
=&\frac{4}{3}
\end{align*}
\end{Solution}
\begin{example}
求极限:
\[\lim_{x\to1^-}\sqrt{1-x}\int_0^{+\infty}x^{t^2}\,\mathrm{d}t\]
\end{example}\begin{solution}
由于
\begin{align*}
\int_0^{+\infty}x^{t^2}\,\mathrm{d}t
&=\int_0^{+\infty}e^{-t^2\ln(\frac{1}{x})}\,\mathrm{d}t\\
&\xlongequal{u=t\sqrt{\ln(\frac{1}{x})}}\frac{1}{\sqrt{\ln(\frac{1}{x})}}\int_0^{+\infty}e^{-u^2}\,\mathrm{d}u=\frac{1}{2}\sqrt{\frac{\pi}{\ln(\frac{1}{x})}}\\
&\sim\frac{1}{2}\sqrt{\frac{\pi}{1-x}}
\end{align*}
故\[\lim_{x\to1^-}\sqrt{1-x}\int_0^{+\infty}x^{t^2}\,\mathrm{d}t=\lim_{x\to1^-}\left(\sqrt{1-x}\times\frac{1}{2}\sqrt{\frac{\pi}{1-x}}\right)=\frac{\sqrt{\pi}}{2}\]
\end{solution}
% 单调有界定理
\begin{example}
设 $a_n=\int_{n\pi}^{(n+1)\pi}\frac{\sin x}{x}\dif x$,$n$为自然数,\\
求证:(1) $|a_{n+1}|\leqslant |a_n|$\;;\quad(2) $\lim_{n\to\infty}a_n=0$
\end{example}\begin{proof}
\begin{align*}
|a_{n+1}|-|a_n|&=\left|\int_{(n+1)\pi}^{(n+2)\pi}\frac{\sin x}{x}\dif x\right|-\left|\int_{n\pi}^{(n+1)\pi}\frac{\sin x}{x}\dif x\right|\\
&\xlongequal{t=x-\pi}\left|-\int_{n\pi}^{(n+1)\pi}\frac{\sin t}{t+\pi}\dif t\right|-\left|\int_{n\pi}^{(n+1)\pi}\frac{\sin x}{x}\dif x\right|\\
&=\int_{n\pi}^{(n+1)\pi}|\sin x|\left(\frac{1}{x+\pi}-\frac{1}{x}\right)\dif x\leqslant0
\end{align*}
即数列 $\{|a_n|\}$ 单调递减,且 $|a_n|\geqslant0$。由单调有界定理知 $\lim_{n\to\infty}|a_n|$ 存在
\begin{align*}
\lim_{n\to\infty}|a_n|
&=\lim_{n\to\infty}\left|\int_{n\pi}^{(n+1)\pi}\frac{\sin x}{x}\dif x\right|=\lim_{n\to\infty}\int_{n\pi}^{(n+1)\pi}\frac{|\sin x|}{x}\dif x\\
&\xlongequal{\text{积分中值定理}}\lim_{n\to\infty}|\sin\xi|\int_{n\pi}^{(n+1)\pi}\frac{1}{x}\dif x\;,\;\;\xi\in[n\pi,(n+1)\pi]\\
&=\lim_{n\to\infty}|\sin\xi|\cdot\ln\left(1+\frac{1}{n}\right)\to0\;,\quad n\to\infty
\end{align*}
即 $\lim_{n\to\infty}|a_n|=0$,因此 $\lim_{n\to\infty}a_n=0$
\end{proof}
\begin{example}
设 $a\geqslant 0$, $x_0=0, x_{n+1}=\sqrt{x_n+a(a+1)}, n=0,1,2,\cdots$. 计算
\[\lim_{n\to\infty}\big(a+1\big)^{2n}\big(a+1-x_n\big)\]
\end{example}\begin{proof}(by MSE\footnote{\url{https://math.stackexchange.com/questions/779823/sequence-x-n1-sqrtx-naa1}})
由递推式, 易得
\[x_{n+1}^2=x_n+a(a+1)\Rightarrow (a+1)^2-x_{n+1}^2=(a+1)-x_n\]
可以化为
\[\frac{a+1-x_{n+1}}{a+1-x_{n}}=\frac{1}{(a+1)+x_{n+1}}\]
\[2(a+1)\frac{(a+1)-x_{n+1}}{(a+1)-x_n}=\frac{2(a+1)}{(a+1)+x_{n+1}}=1+\frac{(a+1)-x_{n+1}}{(a+1)+x_{n+1}}\]
于是
\[\frac{a+1-x_{n+1}}{a+1-x_{n}}=\frac{1}{2(a+1)}\left(1+\frac{a+1-x_{n+1}}{a+1+x_{n+1}}\right)\]
归纳可得
\[a+1-x_{i}\leqslant\dfrac{(a+1)-x_0}{(a+1)^i}\]
进而得到
\[a+1-x_{n}=\dfrac{1}{2^n(a+1)^n}(a+1-x_0)\prod_{i=1}^{n}\left(1+\dfrac{a+1-x_{i}}{a+1+x_{i}}\right)\]
即\[(a+1-x_0)\prod_{i=1}^{n}\left(1+\dfrac{a+1-x_{i}}{a+1+x_{i}}\right)\]
收敛.到一个常数 $f(a)\in(0,\infty)$,即
\[\lim_{n\to\infty}2^n(a+1)^n(a+1-x_{n})=f(a)\]
显然, 我们很容易得到
\[f(a)=\begin{cases} \infty& a>1\\ \dfrac{\pi^2}{4}&a=1\\ 0&a<1 \end{cases}\]
\end{proof}
% Stolz定理
\begin{theorem}[$\frac{\bullet}{\infty}$型Stolz公式]
设有数列 $\{x_n\}$, $\{y_n\}$, 其中 $\{x_n\}$ 严格增, 且 $\lim_{n\to\infty}x_n=+\infty\;$\\
$($注意: 不必$\lim_{n\to\infty}y_n=+\infty$$)$. 如果
\[\lim_{n\to\infty}\frac{y_n-y_{n-1}}{x_n-x_{n-1}}=a \;(\text{实数}\,,\;+\infty\,,\;-\infty)\,,\]
则\[\lim_{n\to\infty}\frac{y_n}{x_n}=a=\lim_{n\to\infty}\frac{y_n-y_{n-1}}{x_n-x_{n-1}}\]
\end{theorem}\begin{proof}
{\color{blue}(1) $a$ 为实数.}\\
$\forall\,\varepsilon>0$, 因为 $\lim_{n\to\infty}\frac{y_n-y_{n-1}}{x_n-x_{n-1}}=a$, 所以
$\exists\,N_1\in\mathbb{N}$, 当 $n>N_1$ 时, 有
\[\left|\frac{y_n-y_{n-1}}{x_n-x_{n-1}}-a\right|<\frac{\varepsilon}{2}\,,\]
即\[a-\frac{\varepsilon}{2}<\frac{y_n-y_{n-1}}{x_n-x_{n-1}}< a+\frac{\varepsilon}{2}\,,\]
\[\left(a-\frac{\varepsilon}{2}\right)\big(x_n-x_{n-1}\big)< y_n-y_{n-1}<\left(a+\frac{\varepsilon}{2}\right)\big(x_n-x_{n-1}\big)\,.\]
类推有\[\left(a-\frac{\varepsilon}{2}\right)\big(x_{n-1}-x_{n-2}\big)< y_{n-1}-y_{n-2}<\left(a+\frac{\varepsilon}{2}\right)\big(x_{n-1}-x_{n-2}\big)\,,\]
\[\vdots\]
\[\left(a-\frac{\varepsilon}{2}\right)\big(x_{N_1+1}-x_{N_1}\big)< y_{N_1+1}-y_{N_1}<\left(a+\frac{\varepsilon}{2}\right)\big(x_{N_1+1}-x_{N_1}\big)\,.\]
将上面各式相加得到
\[\left(a-\frac{\varepsilon}{2}\right)\big(x_{n}-x_{N_1}\big)< y_{n}-y_{N_1}<\left(a+\frac{\varepsilon}{2}\right)\big(x_{n}-x_{N_1}\big)\,.\]
\[a-\frac{\varepsilon}{2}<\frac{y_n-y_{N_1}}{x_n-x_{N_1}}< a+\frac{\varepsilon}{2}\,.\]
对固定的 $N_1$, 因为 $\lim_{n\to\infty}x_n=+\infty$, 所以, $\exists\,N>N_1$, s.t. 当 $n>N$ 时, 有\[\frac{y_{N_1}-ax_{N_1}}{x_n}<\frac{\varepsilon}{2}\,,\quad0<\frac{x_{N_1}}{x_n}<1\]
于是\begin{align*}
\left|\frac{y_{N_1}}{x_n}-a\right|&=\left|\frac{y_n-y_{N_1}}{x_n}+\frac{y_{N_1}-ax_{N_1}}{x_n}-a\left(1-\frac{x_{N_1}}{x_n}\right)\right|\\
&=\left|\frac{y_{N_1}-ax_{N_1}}{x_n}-\left(1-\frac{x_{N_1}}{x_n}\right)\left(\frac{y_n-y_{N_1}}{x_n-x_{N_1}}-a\right)\right|\\
&=\left|\frac{y_{N_1}-ax_{N_1}}{x_n}\right|+\left|\frac{y_n-y_{N_1}}{x_n-x_{N_1}}-a\right|<\frac{\varepsilon}{2}+\frac{\varepsilon}{2}=\varepsilon
\end{align*}
这就证明了 $\lim_{n\to\infty}\frac{y_n}{x_n}=a$\\
{\color{blue}(2) $a=+\infty$}\\
因为 $\lim_{n\to\infty}\frac{y_n-y_{n-1}}{x_n-x_{n-1}}=a=+\infty$, 所以
$\exists\,N\in\mathbb{N}$, 当 $n>N$ 时, 有
\[\frac{y_n-y_{n-1}}{x_n-x_{n-1}}>1\,,\quad y_n-y_{n-1}>x_n-x_{n-1}>0\]
即 $\{y_n\}$ 严格增. 又由于
\begin{align*}
y_n-y_{N}&=(y_{n}-y_{n-1})+(y_{n-1}-y_{n-2})+\cdots+(y_{N_1+1}-y_{N})\\
&>(x_{n}-x_{n-1})+(x_{n-1}-x_{n-2})+\cdots+(x_{N_1+1}-x_{N})\\
&=x_n-x_{N}\,,
\end{align*}
根据 $\lim_{n\to\infty}x_n=+\infty$, 知 $\lim_{n\to\infty}y_n=+\infty$. 应用 (1) 的结果得到
\[\lim_{n\to\infty}\frac{x_n}{y_n}=\lim_{n\to\infty}\frac{x_n-x_{n-1}}{y_n-y_{n-1}}=\lim_{n\to\infty}\left.1\middle/\frac{y_n-y_{n-1}}{x_n-x_{n-1}}\right.=0\]
于是\[\lim_{n\to\infty}\frac{y_n}{x_n}=\lim_{n\to\infty}\left.1\middle/\frac{x_n}{y_n}\right.=+\infty=\lim_{n\to\infty}\frac{y_n-y_{n-1}}{x_n-x_{n-1}}\]
{\color{blue}(3) $a=-\infty$} \\
由 $(2)$ 知,\begin{align*}
\lim_{n\to\infty}\frac{-y_n}{x_n}
&=\lim_{n\to\infty}\frac{(-y_n)-(-y_{n-1})}{x_n-x_{n-1}}\\
&=-\lim_{n\to\infty}\frac{y_n-y_{n-1}}{x_n-x_{n-1}}=+\infty
\end{align*}
即\[\lim_{n\to\infty}\frac{y_n}{x_n}=-\lim_{n\to\infty}\frac{-y_n}{x_n}=-\infty=\lim_{n\to\infty}\frac{y_n-y_{n-1}}{x_n-x_{n-1}}\,.\]
\end{proof}
\begin{theorem}[$\frac{0}{0}$型Stolz公式]
设有数列 $\{x_n\}$, $\{y_n\}$, 其中 $\{x_n\}$ 严格减, 且 $\lim_{n\to\infty}x_n=0$, $\lim_{n\to\infty}y_n=0$. 如果
\[\lim_{n\to\infty}\frac{y_n-y_{n-1}}{x_n-x_{n-1}}=a \;(\text{实数}\,,\;+\infty\,,\;-\infty)\,,\]
则\[\lim_{n\to\infty}\frac{y_n}{x_n}=a=\lim_{n\to\infty}\frac{y_n-y_{n-1}}{x_n-x_{n-1}}\]
\end{theorem}\begin{proof}
{\color{blue}(1) $a$ 为实数.}\\
$\forall\,A>0$, 因为 $\lim_{n\to\infty}\frac{y_{n}-y_{n+1}}{x_{n}-x_{n+1}}=\lim_{n\to\infty}\frac{y_n-y_{n-1}}{x_n-x_{n-1}}=a$, 所以
$\exists\,N\in\mathbb{N}$, 当 $n>N$ 时, 有
\[\left|\frac{y_{n}-y_{n+1}}{x_{n}-x_{n+1}}-a\right|<\frac{\varepsilon}{2}\,,\]
即\[a-\frac{\varepsilon}{2}<\frac{y_{n}-y_{n+1}}{x_{n}-x_{n+1}}< a+\frac{\varepsilon}{2}\,,\;x_n-x_{n+1}>0\]
\[\left(a-\frac{\varepsilon}{2}\right)\big(x_n-x_{n+1}\big)< y_{n}-y_{n+1}<\left(a+\frac{\varepsilon}{2}\right)\big(x_n-x_{n+1}\big)\,.\]
类推有\[\left(a-\frac{\varepsilon}{2}\right)\big(x_{n+1}-x_{n+2}\big)< y_{n+1}-y_{n+2}<\left(a+\frac{\varepsilon}{2}\right)\big(x_{n+1}-x_{n+2}\big)\,,\]
\[\vdots\]
\[\left(a-\frac{\varepsilon}{2}\right)\big(x_{n+p-1}-x_{n+p}\big)< y_{n+p-1}-y_{n+p}<\left(a+\frac{\varepsilon}{2}\right)\big(x_{n+p-1}-x_{n+p}\big)\,.\]
将上面各式相加得到
\[\left(a-\frac{\varepsilon}{2}\right)\big(x_{n}-x_{n+p}\big)< y_{n}-y_{n+p}<\left(a+\frac{\varepsilon}{2}\right)\big(x_{n}-x_{n+p}\big)\,.\]
令 $p\to+\infty$, 由 $x_{n+p}\to0$, $y_{n+p}\to0$, 得到
\[\left(a-\frac{\varepsilon}{2}\right)x_n\leqslant y_n\leqslant\left(a-\frac{\varepsilon}{2}\right)x_n\]
由于 $x_n>0$, 有
\[a-\varepsilon<a-\frac{\varepsilon}{2}\leqslant\frac{y_n}{x_n}\leqslant a+\frac{\varepsilon}{2}<a+\varepsilon\]
所以, $\lim_{n\to\infty}\frac{y_n}{x_n}=a. $\\
{\color{blue}(2) $a=+\infty$}\\
$\forall\,A>0$, 因为 $\lim_{n\to\infty}\frac{y_{n}-y_{n+1}}{x_{n}-x_{n+1}}=\lim_{n\to\infty}\frac{y_n-y_{n-1}}{x_n-x_{n-1}}=+\infty$, 所以
$\exists\,N\in\mathbb{N}$, 当 $n>N$ 时, 有
\[\frac{y_n-y_{n+1}}{x_n-x_{n+1}}>2A,,\]
类似上述论证有
\[y_n-y_{n+p}>2A(x_n-x_{n+p})\,.\]
令 $p\to+\infty$, 由 $y_{n+p}\to0$, $x_{n+p}\to0$, 得到
\[y_n\geqslant 2Ax_n\,,\quad\frac{y_n}{x_n}\geqslant2A>A\,,\]
所以,\[\lim_{n\to\infty}\frac{y_n}{x_n}=+\infty\]
{\color{blue}(3) $a=-\infty$} \\
类似 (2) 的证明或将 $(2)$ 的结论应用到 $\{-y_n\}$ 即得
\end{proof}
\begin{example}
设 $a_n=\frac{1!+2!+3!+\cdots+n!}{n!}$, $n\in\mathbb{N}_+$, 求 $\{a_n\}$ 的极限。
\end{example}\begin{proof}{\color{main1}方法1}
直接用 Stolz 定理计算如下
\[\lim_{n\to\infty}\frac{1!+2!+3!+\cdots+n!}{n!}=\lim_{n\to\infty}\frac{(n+1)!}{(n+1)!-n!}=\lim_{n\to\infty}\frac{(n+1)!}{n!n}=1\]
{\color{main1}方法2}(夹逼准则)
因为
\[\frac{1!+2!+3!+\cdots+n!}{n!}=\frac{1!+2!+3!+\cdots+(n-2)!}{n!}+\frac{(n-1)!}{n!}+1\]
其中\[0<\frac{1!+2!+3!+\cdots+(n-2)!}{n!}<\frac{(n-2)(n-2)!}{n!}\rightarrow0\]
故\[\lim_{n\to\infty}\frac{1!+2!+3!+\cdots+n!}{n!}=1\]
\end{proof}
\begin{example}
求极限: $\lim_{n\to\infty}\frac{1}{n}\left[\sqrt{1^2+1}+\sqrt{2^2+2}+\cdots+\sqrt{n^2+n}-\frac{n(n+1)}{2}\right]$.
\end{example}\begin{solution}
令 $x_n=\sum\limits_{k=1}^{n}\big(\sqrt{k^2+k}-k\big), y_n=n$, 显然 $x_n-x_{n-1}>0$.
\begin{align*}
\lim_{n\to\infty}\frac{\sum\limits_{k=1}^{n}\big(\sqrt{k^2+k}-k\big)}{n}
&\xlongequal{\text{Stolz}}\lim_{n\to\infty}\frac{x_n-x_{n-1}}{y_{n}-y_{n-1}}=\lim_{n\to\infty}\frac{\sqrt{n^2+n}-n}{n-(n-1)}\\
&=\lim_{n\to\infty}\frac{n}{\sqrt{n^2+n}+n}=\frac{1}{2}
\end{align*}
\end{solution}
\begin{example}
求极限: $\lim_{n\to\infty}n^2\left(\frac{\pi^2}{6}-\sum_{k=1}^{n}\frac{1}{k^2}-\frac{1}{n}\right)$
\end{example}\begin{solution}
令 $y_n=\frac{\pi^2}{6}-\sum\limits_{k=1}^{n}\frac{1}{k^2}-\frac{1}{n}$, $x_n=\frac{1}{n^2}$. 显然 $\{x_n\}$ 单调递减并趋于$0$.\\
注意到 $\sum\limits_{k=1}^{\infty}\frac{1}{k^2}=\frac{\pi^2}{6}$,故 $\{y_n\}\to0$,
利用 Stolz 公式
\begin{align*}
\text{原极限}&=\lim_{n\to\infty}\frac{\frac{\pi^2}{6}-\sum\limits_{k=1}^{n}\frac{1}{k^2}-\frac{1}{n}}{\frac{1}{n^2}}\\
&=\lim_{n\to\infty}\frac{y_n-y_{n-1}}{x_n-x_{n-1}}=\lim_{n\to\infty}\frac{\frac{1}{n^2(n-1)}}{\frac{1-2n}{n^2(n-1)^2}}\\
&=\lim_{n\to\infty}\frac{n-1}{1-2n}=-\frac{1}{2}
\end{align*}
\end{solution}
\begin{exercise}
设$n\in N^{+},I_{n}=\displaystyle\int_0^{\frac {\pi}{2}} \frac{\sin^2nt}{\sin t}\dif t$,计算极限
$\displaystyle\lim_{n \to \infty}\frac{I_{n}}{\ln n}$\\\end{exercise}
\begin{solution}利用$\displaystyle{\sin ^2}nt{\rm{ = }}\frac{{{\rm{1}} - \cos 2nt}}{2}$,\mbox{可得}$\displaystyle{I_n} = \int_0^{\frac{\pi }{2}} {\frac{{{{\sin }^2}nt}}{{\sin t}}} \dif t{\rm{ = }}\int_0^{\frac{\pi }{2}} {\frac{{{\rm{1}} - \cos 2nt}}{{2\sin t}}} \dif t$\\所以\begin{equation*}\begin{aligned}I_{n+1}-I_{n}
=&\int_0^{\frac{\pi}{2}}\frac{1-\cos{2(n+1)t}}{2\sin t}\dif t-\int_0^{\frac{\pi}{2}}\frac{1-\cos{2nt}}{2\sin t}\dif t\\
=&\int_0^{\frac{\pi}{2}}\frac{\cos 2nt-\cos2(n+1)t}{2\sin t}\dif t
\end{aligned}\end{equation*}
利用和差化积公式
\begin{equation*}\cos \alpha - \cos \beta =- 2\sin \frac{{\alpha + \beta }}{2}\sin \frac{{\alpha - \beta }}{2}\end{equation*}
有:\begin{equation*}\begin{aligned}
I_{n+1}-I_{n}=&\int_0^{\frac{\pi}{2}}\frac{2\sin{2(n+1)t}\sin t}{2\sin t}\dif t=\int_0^{\frac{\pi}{2}}\sin{(2n+1)t}\dif t\\
=&\left[-\frac{\cos {(2n+1)t}}{2n+1}\right]_0^{\frac{\pi}{2}}=\frac{1}{2n+1}
\end{aligned}\end{equation*}
所以~$\displaystyle I_{n}=1+\frac{1}{3}+\cdots+\frac{1}{2n+1}$,显然当$n\rightarrow+\infty$时,$\displaystyle\lim_{n \to\infty}\frac{n}{2n+1}$=$\displaystyle\frac{1}{2}$\\[2mm]
应用$Stolz$ 定理有:
\[\lim_{n\to\infty}\frac{I_{n}}{\ln n}=\lim_{n\to\infty}\frac{I_{n+1}-I_{n}}{\ln(n+1)-\ln n}=\lim_{n\to\infty}\frac{\frac{1}{2n+1}}{\ln(1+\frac{1}{n})}=\lim_{n\to\infty}\frac{n}{2n+1}
=\frac{1}{2}\]
\end{solution}
\begin{example}
(CMC,2019)设 $f(x)$ 在区间 $(-1,1)$ 内三阶连续可导, 满足 $f(0)=0$, $f'(0)=1$, $f''(0)=0$, $f'''(0)=-1$; 又设数列 $\{a_n\}$ 满足 $a_1\in(0,1)$, $a_{n+1}=f(a_n)(n=1,2,3,\cdots)$, 严格单调减少且 $\lim_{n\to\infty}a_n=0$. 计算 $\lim_{n\to\infty}na_n^2$
\end{example}\begin{solution}
由于 $f(x)$ 在区间 $(-1,1)$ 内三阶连续可导, $f(x)$ 在点 $x=0$ 处有 Tayor 公式
\[f(x)=f(0)+f'(0)x+\frac{f''(0)}{2}x^2+\frac{f'''(0)}{3!}x^3+o(x^3),\]
又 $f(0)=0$, $f'(0)=1$, $f''(0)=0$, $f'''(0)=-1$, 所以
\begin{equation}\label{10nomathjs2-1}
f(x)=x-\frac{1}{6}x^3+o(x^3).
\end{equation}
由于 $a_1\in(0,1)$, 数列 $\{a_n\}$ 严格单调且 $\lim_{n\to\infty}a_n=0$, 则 $a_n>0$, 且 $\bigg\{\frac{1}{a_n^2}\bigg\}$ 为严格单调增加趋向于 $+\infty$ 的数列, 注意到 $a_{n+1}=f(a_n)$, 故由 Stolz 定理及 \eqref{10nomathjs2-1} 式, 有
\begin{align*}
\lim_{n\to\infty}na_n^2
&=\lim_{n\to\infty}\frac{n}{1/a_n^2}\xlongequal{\text{Stolz}}\lim_{n\to\infty}\frac{1}{1/a_{n+1}^2-1/a_n^2}\\
&=\lim_{n\to\infty}\frac{a_n^2a_{n+1}^2}{a_n^2-a_{n+1}^2}=\lim_{n\to\infty}\frac{a_n^2f^2(a_n)}{a_n^2-f^2(a_n)}\\
&=\lim_{n\to\infty}\frac{a_n^2\big(a_n^2-\frac{1}{6}a_n^3+o(a_n^3)\big)^2}{a_n^2-\big(a_n^2-\frac{1}{6}a_n^3+o(a_n^3)\big)^2}\\
&=\lim_{n\to\infty}\frac{a_n^4-\frac{1}{3}a_n^6+\frac{1}{36}a_n^8+o(a_n^4)}{\frac{1}{3}a_n^4-\frac{1}{36}a_n^6+o(a_n^4)}=3
\end{align*}
\end{solution}
\begin{example}
证明函数 $y=\sin x$ 在区间 $(-\infty,+\infty)$ 内是连续的.
\end{example}\begin{proof}
设 $x$ 是区间 $(-\infty,+\infty)$ 内任意一点, 当 $x$ 取得改变量 $\Delta x$ 时, 对应函数的改变量是
$\Delta y=\sin(x+\Delta x)-\sin x.$
因为
$$\sin(x+\Delta x)-\sin x=2\sin\frac{\Delta x}{2}\cos\Big (x+\frac{\Delta x}{2}\Big),$$
同时
$$\left|\cos\Big (x+\frac{\Delta x}{2}\Big)\right|\leqslant 1,$$
于是得到
$$|\Delta y|=|\sin(x+\Delta x)-\sin x|\leqslant 2\left|\sin\frac{\Delta x}{2}\right|.$$
因为对任意的角度 $\alpha,$ 当 $\alpha\ne 0$ 时有 $|\sin \alpha|<|\alpha|$, 所以
$$0\leqslant |\Delta y|=|\sin(x+\Delta x)-\sin x|<2\cdot \frac{|\Delta x|}{2}=|\Delta x|.$$
故当 $\Delta x\to 0$ 时, 由夹逼定理知 $|\Delta y|\to 0$, 从而 $\Delta y\to 0$, 即函数在 $x$ 处连续. \\
由 $x$ 的任意性得到 $y=\sin x$ 在 $(-\infty,+\infty)$ 内连续.\\
同理可证函数 $y=\cos x$ 在区间 $(-\infty,+\infty)$ 内是连续的.
\end{proof}
\begin{example}
设 $\displaystyle f(a)=\int_{-1}^{1}|x-a|e^x\,\mathrm{d}x$, 求 $f(a)$ 并判断连续性.
\end{example}\begin{proof}
首先去绝对值则有\\[1mm]
1:$a\leqslant1$ 时 $\displaystyle f(a)=\int_{-1}^{1}(a-x)e^x\,\mathrm{d}x=ae-\frac{a+2}{e}$\\[1mm]
2:$a\geqslant1$ 时 $\displaystyle f(a)=\int_{-1}^{1}(x-a)e^x\,\mathrm{d}x=\frac{a+2}{e}-ae$\\[1mm]
3: $-1<a<1$ 时$\displaystyle f(a)=\int_{-1}^{a}(a-x)e^x\,\mathrm{d}x+\int_{a}^{1}(x-a)e^x\,\mathrm{d}x=2e^a-ae-\frac{a+2}{e}$\\[1mm]
所以\begin{equation*}f(a)=\begin{cases}ae-\dfrac{a+2}{e}&a\leqslant1\\[1mm]
\dfrac{a+2}{e}-ae&a\geqslant1\\[1mm]
2e^a-ae-\dfrac{a+2}{e}&-1<a<1
\end{cases}\end{equation*}
因为\begin{equation*}\lim_{a\to1^+}f(a)=\lim_{a\to1^-}f(a)=e-\frac{3}{e}=f(1)\end{equation*}
故 $f(a)$ 在 $x=1$ 处连续
因为\begin{equation*}\lim_{a\to-1^+}f(a)=\lim_{a\to-1^-}f(a)=\frac{1}{e}+e=f(-1)\end{equation*}
故 $f(a)$ 在 $x=-1$ 处连续
\end{proof}
\begin{example}
设 $f(x)=\lim_{n\to\infty}\frac{x^{2n-1}+ax^2+bx}{x^{2n}+1}$ 是连续函数, 求 $a,b$ 的值
\end{example}\begin{solution} $x=1,x=-1$ 处可能是间断点, 在 $x=1,x=-1$ 分别求左右极限
\[\lim_{x\to1^+}f(x)=\lim_{x\to1^+}\lim_{n\to\infty}\frac{\overbrace{x^{2n-1}}^{+\infty}+ax^2+bx}{\smash{\underbrace{x^{2n}}_{+\infty}}+1}=
\lim_{x\to1^+}\lim_{n\to\infty}\frac{x^{2n-1}}{x^{2n}}=1\]
\[\lim_{x\to1^-}f(x)=\lim_{x\to1^-}\lim_{n\to\infty}\frac{\overbrace{x^{2n-1}}^{0}+ax^2+bx}{\underbrace{x^{2n}}_0+1}=
\lim_{x\to1^-}\lim_{n\to\infty}\frac{ax^2+bx}{1}=a+b\]
$f(x)$ 连续$\Longrightarrow \lim_{x\to1^+}f(x)=\lim_{x\to1^-}f(x)\Longrightarrow a+b=1$
\[\lim_{x\to-1^+}f(x)=\lim_{x\to-1^+}\lim_{n\to\infty}\frac{\overbrace{x^{2n-1}}^0+ax^2+bx}{\smash{\underbrace{x^{2n}}_0}+1}=
\lim_{x\to-1^+}\lim_{n\to\infty}\frac{ax^2+bx}{1}=a-b\]
\[\lim_{x\to-1^-}f(x)=\lim_{x\to-1^-}\lim_{n\to\infty}\frac{\overbrace{x^{2n-1}}^{\infty}+ax^2+bx}{\underbrace{x^{2n}}_{\infty}+1}=
\lim_{x\to-1^-}\lim_{n\to\infty}\frac{x^{2n-1}}{x^{2n}}=-1\]
$f(x)$ 连续$\Longrightarrow \lim_{x\to-1^+}f(x)=\lim_{x\to-1^-}f(x)\Longrightarrow a-b=-1$
\[\bigg\{\begin{array}{@{}l}
a+b=1\\a-b=-1
\end{array}\Longrightarrow a=0,b=1\]
\end{solution}
\begin{exercise}
设函数 $\displaystyle f(x)=x^{\frac{1}{x}}, x>1$\\[1mm]
\makebox{\ding{172}} 证明:$\forall x>1$,恒有 $ 1<f(x)<1+e^{\frac{1}{e}}\cdot\dfrac{\ln x}{x}$\\[1mm]
\makebox{\ding{173}} 计算:$\displaystyle\lim_{n\to\infty}\frac{1+2^{\frac{1}{2}}+3^{\frac{1}{3}}+\cdots+n^{\frac{1}{n}}}{n}$\\[1mm]
\makebox{\ding{174}} 设数列$\displaystyle I_n=\sum_{k=1}^{n^2}\frac{1+2^{\frac{1}{2^k}}+3^{\frac{1}{3^k}}+\cdots+n^{\frac{1}{n^k}}}{n^2+k^2}$, 求$\displaystyle\lim_{n\to\infty} I_n$
\end{exercise}\begin{Solution}
%--------------------------
\makebox{\ding{172}} $\displaystyle f(x)=x^{\frac{1}{x}}=e^{\frac{\ln x}{x}}, x>1$并注意到 $\dfrac{\ln x}{x}>0\;(x>1)$ 故 $\displaystyle f(x)>e^0=1$\\[1mm]
由于$e^x$ 在$\Big[0,\dfrac{\ln x}{x}\Big]$ 可导,由拉格朗日中值定理有
\begin{equation*}
e^{\frac{\ln x}{x}}-e^{0}=\frac{\ln x}{x}e^{\xi}\;\;\xi\in\Big(0,\dfrac{\ln x}{x}\Big)
\end{equation*}
令 $g(x)=\dfrac{\ln x}{x}$ 则 $g'(x)=\dfrac{1-\ln x}{x^2}$ 故$g(x)$在$(1,e)\uparrow$在$(e,+\infty)\downarrow$ 因此$g_{max}(x)=\dfrac{1}{e}$
故\begin{equation*}
f(x)=e^{\frac{\ln x}{x}}=1+e^{\xi}\frac{\ln x}{x}<1+\frac{\ln x}{x}e^{\frac{\ln x}{x}}{\color{blue}<1+\frac{\ln x}{x}e^{\frac{1}{e}}}
\end{equation*}
%-------------------------
\makebox{\ding{173}}:\; 由 \ding{172} 知
\begin{equation*}
1\leqslant\lim_{n\to\infty}\frac{1+2^{\frac{1}{2}}+3^{\frac{1}{3}}+\cdots+n^{\frac{1}{n}}}{n}\leqslant\lim_{n\to\infty}\Big(1+\frac{1}{n}\sum\limits_{i=1}^{n}\frac{\ln i}{i}e^{\frac{1}{e}}\Big)
\end{equation*}
其中
\begin{equation*}
\frac{1}{n}\sum\limits_{i=1}^{n}\frac{\ln i}{i}e^{\frac{1}{e}}<e^{\frac{1}{e}}\frac{\ln n}{n}{\color{red}\sum\limits_{i=1}^{n}\frac{1}{i}}<e^{\frac{1}{e}}\frac{\ln n({\color{red}\ln n+1})}{n}\rightarrow0\;\;(n\to\infty)
\end{equation*}
故由夹逼准则知
\begin{equation*}\lim_{n\to\infty}\frac{1+2^{\frac{1}{2}}+3^{\frac{1}{3}}+\cdots+n^{\frac{1}{n}}}{n}=1\end{equation*}
用到不等式\begin{equation*}{\color{red}\ln n<\sum\limits_{i=1}^{n}\frac{1}{i}<\ln n+1}\end{equation*}
%---------------------------
\makebox{\ding{174}}:\; 由 \ding{173} 知\begin{equation*}
\Big(1+2^{\frac{1}{2}}+3^{\frac{1}{3}}+\cdots+n^{\frac{1}{n}}\Big)=\sum_{i=1}^{n}i^{\frac{1}{i}}\sim n+o(n)
\end{equation*}
\begin{equation*}
\lim_{n\to\infty}\sum_{k=1}^{n^2}\frac{n}{n^2+k^2}\leqslant\lim_{n\to\infty}I_n\leqslant\lim_{n\to\infty}\sum_{k=1}^{n^2}\frac{\sum\limits_{i=1}^{n}i^{\frac{1}{i}}}{n^2+k^2}
\end{equation*}
下面计算极限 $\displaystyle \lim_{n\to\infty}\sum_{k=1}^{n^2}\frac{n}{n^2+k^2}$\\[1mm]
一方面\begin{align*}
\lim_{n\to\infty}\sum_{k=1}^{n^2}\frac{n}{n^2+k^2}&=\lim_{n\to\infty}\sum_{k=1}^{n^2}\int_{k-1}^k\frac{n}{n^2+k^2}\mathrm{d}x\\&\leqslant\lim_{n\to\infty}\sum_{k=1}^{n^2}\int_{k-1}^k\frac{n}{n^2+x^2}\mathrm{d}x=\int_0^{n^2}\frac{n}{n^2+x^2}\mathrm{d}x=\frac{\pi}{2}
\end{align*}
另一方面\begin{align*}
\lim_{n\to\infty}\sum_{k=1}^{n^2}\frac{n}{n^2+k^2}&=\lim_{n\to\infty}\sum_{k=1}^{n^2}\int_{k}^{k+1}\frac{n}{n^2+k^2}\mathrm{d}x\\&\geqslant\lim_{n\to\infty}\sum_{k=1}^{n^2}\int_{k}^{k+1}\frac{n}{n^2+x^2}\mathrm{d}x=\int_1^{n^2+1}\frac{n}{n^2+x^2}\mathrm{d}x=\frac{\pi}{2}
\end{align*}
故由夹逼准则知\begin{equation*}\lim_{n\to\infty}\sum_{k=1}^{n^2}\frac{n}{n^2+k^2}=\frac{\pi}{2}\end{equation*}
因此\begin{equation*}
\lim_{n\to\infty} I_n=\lim_{n\to\infty} \sum_{k=1}^{n^2}\frac{1+2^{\frac{1}{2^k}}+3^{\frac{1}{3^k}}+\cdots+n^{\frac{1}{n^k}}}{n^2+k^2}=\frac{\pi}{2}
\end{equation*}
\end{Solution}
\begin{exercise}
求极限\[\mathop {\lim }\limits_{x \to 0} \frac{{\tan \tan x - \sin \sin x}}{{\tan x - \sin x}}\]
\end{exercise}\begin{Solution}\begin{align*}
\lim_{x\to0}\frac{\tan(\tan x)-\sin(\sin x)}{\tan x-\sin x}&=\lim_{x\to0}\frac{\tan(\tan x)-\sin(\tan x)}{\tan x-\sin x}+\lim_{x\to0}\frac{\sin(\tan x)-\sin(\sin x)}{\tan x-\sin x}\\
&=\lim_{x\to0}\frac{\frac{1}{2}\tan^3x+o(\tan^3x)}{\frac{1}{2}x^3+o(x^3)}+\lim_{x\to0}\frac{2\cos\frac{\tan x+\sin x}{2}\sin\frac{\tan x-\sin x}{2}}{\tan x-\sin x}\\
&=1+1=2
\end{align*}
\end{Solution}\begin{Solution}\begin{align*}
\lim_{x \to 0} \frac{{\tan \tan x - \sin \sin x}}{{\tan x - \sin x}} &=\lim_{x \to 0} \frac{{\tan \tan x - \tan \sin x + {\mathop{\rm tansin}\nolimits} x - \sin \sin x}}{{\tan x - \sin x}}\\
& =\lim_{x \to 0} \frac{{\tan \tan x - \tan \sin x}}{{\tan x - \sin x}} + \mathop {\lim }\limits_{x \to 0} \frac{{{\mathop{\rm tansin}\nolimits} x - \sin \sin x}}{{\tan x - \sin x}}\\
&=\lim_{x \to 0} \frac{{\tan \tan x - \tan \sin x}}{{\tan x - \sin x}} +\lim_{x \to 0} \frac{{{\mathop{\rm tansin}\nolimits} x\left( {1 - {\mathop{\rm cossin}\nolimits} x} \right)}}{{\tan x\left( {1 - \cos x} \right)}}\\
&= \mathop{{\left( {\tan \varepsilon } \right)^\prime } }_{\varepsilon \in \left( {\sin x,\tan x} \right)}+\lim_{x \to 0} \frac{{x \times \frac{1}{2}{x^2}}}{{x \times \frac{1}{2}{x^2}}} = \frac{1}{{{{\cos }^2}\varepsilon }} + 1 = 1 + 1 = 2
\end{align*}
\end{Solution}
\begin{exercise}求极限\begin{equation*}\lim_{n\to\infty}n\left[\frac{e}{e - 1}-\sum_{k = 1}^n\left(\frac{k}{n}\right)^n\right]\end{equation*}\end{exercise}
\begin{Solution}(小灰灰)
\begin{align*}I&=\lim_{n\to\infty}n\left[\frac{e}{e - 1}-\sum_{k = 1}^n\left(\frac{k}{n}\right)^n\right]=\lim_{n\to\infty}n\left[\sum_{k=0}^{\infty}{e}^{-k}-\sum_{k=0}^{n-1}\Big(1-\frac{k}{n}\Big)^{n}\right]\\
&=\lim_{n\to \infty}n\left[\sum_{k=0}^{n-1}{e}^{-k}-\Big(1-\frac{k}{n}\Big)^{n}+\sum_{k=n}^{\infty}{e}^{-k}\right]\\
&=\lim\limits_{n\to\infty}n\left[\sum_{k=0}^{n-1}{e}^{-k}\biggl(1-\Big(1-\frac{k}{n}\Big)^{n}{e}^{k}\biggl)\right]\\
&=\lim\limits_{n\to \infty}n\left[\sum_{k=0}^{n-1}{e}^{-k}\bigg(-\ln\Big(1-\frac{k}{n}\Big)^{n}-k\bigg)+O\left({\bigg(-\ln\Big(1-\frac{k}{n}\Big)^{n}-k\bigg)}^{2}\right)\right]\\
&=\lim_{n\to \infty}n\left[\sum_{k=0}^{n-1}{e}^{-k}\biggl(n\bigg(\frac{k}{n}+\frac{{k}^{2}}{2{n}^{2}}+o\Big(\frac{{k}^{3}}{3{n}^{3}}\Big)\bigg)-k\biggl)+o\biggl(\bigg(-\ln\Big(1-\frac{k}{n}\Big)^{n}-k\bigg)^{2}\biggl)\right]\\
&=\lim_{n\to\infty}n\left[\sum_{k=0}^{n-1}{e}^{-k}\bigg(\frac{{k}^{2}}{2n}+O\Big(\frac{k^3}{n^2}\Big)\bigg)+O\bigg(\Big(\frac{k^2}{2n}\Big)^{2}\bigg)\right]\\
&=\lim\limits_{n\to \infty}\sum_{k=0}^{n-1}{e}^{-k}\frac{{k}^{2}}{2}+\frac{1}{n}o\bigg(\sum_{k=0}^{n-1}{e}^{-k}{k}^{3}\bigg)+\frac{1}{4n}o\bigg(\sum_{k=0}^{n-1}{e}^{-k}{k}^{4}\bigg)\\
&=\lim\limits_{n\to \infty}\sum_{k=0}^{n-1}{e}^{-k}\frac{{k}^{2}}{2}=\sum_{k=0}^{\infty}{e}^{-k}\frac{{k}^{2}}{2}
=S=\sum_{k=1}^{\infty}{e}^{-k+1}\frac{{(k-1)}^{2}}{2}\\
&=eS-\sum_{k=1}^{\infty}{e}^{-k+1}\frac{2k-1}{2}
=\frac{1}{2e-2}\sum_{k=1}^{\infty}{e}^{-k+1}(2k-1) \\
&=\frac{1}{2e-2}\sum_{k=0}^{\infty}{e}^{-k}(2k+1)=\frac{1}{2e-2}+{e}^{-1}S+\frac{1}{2e-2}\sum_{k=1}^{\infty}2{e}^{-k}\\
&=\frac{1}{1-{e}^{-1}}\frac{1}{2e-2}\bigg(1+\sum_{k=1}^{\infty}2{e}^{-k}\bigg)
=\frac{{e}^{-1}({e}^{-1}+1)}{2{(1-{e}^{-1})}^{3}}\\
&=\frac{e(e^2+1)}{2(e-1)^{3}}
\end{align*}
\end{Solution}
\begin{exercise}
求极限: $\lim_{n\to\infty}\frac{n^2(\sqrt[n]{n+1}-\sqrt[n+1]{n})}{\ln (n+1)}$
\end{exercise}\begin{solution}
法1. 根据Lagrange 定理, 对任意 $n\geq 1$, 存在 $\xi_n,\eta_n\in (0,1)$, 使得
\[\sqrt[n]{n+1}-\sqrt[n]{n}=\frac{(n+\xi_n)^{1/n-1}}{n}=n^{1/n-2}(1+\frac{\xi_n}{n})^{1/n-1},\]
\[\sqrt[n]{n}-\sqrt[n+1]{n}=\ln n\cdot n^{\frac{1}{n+\eta_n}}\left(\frac{1}{n}-\frac{1}{n+1}\right).\]
从而
\[\sqrt[n]{n+1}-\sqrt[n]{n}\sim\frac{1}{n^2}, \sqrt[n]{n}-\sqrt[n+1]{n}\sim \frac{\ln (n+1)}{n^2}(n\to\infty).\]
所以\begin{align*}
\frac{n^2(\sqrt[n]{n+1}-\sqrt[n+1]{n})}{\ln (n+1)}&=\frac{n^2(\sqrt[n]{n+1}-\sqrt[n]{n})}{\ln (n+1)} +\frac{n^2(\sqrt[n]{n}-\sqrt[n+1]{n})}{\ln(n+1)}\\
&\to 0+1=1(n\to\infty).
\end{align*}
即\[\lim_{n\to\infty}\frac{n^2(\sqrt[n]{n+1}-\sqrt[n+1]{n})}{\ln (n+1)}=1.\]
法2. 注意到 $(\lambda_n\in (0,1))$
\[\begin{array}{rl}\sqrt[n]{n+1}-\sqrt[n+1]{n}
&=e^{\frac{\ln (n+1)}{n}}-e^{\frac{\ln n}{n+1}}\\
&=e^{\lambda_n \frac{\ln (n+1)}{n}+(1-\lambda_n )\frac{\ln n}{n+1}} (\frac{\ln (n+1)}{n}-\frac{\ln n}{n+1})\\
&\sim \frac{\ln (n+1)}{n}-\frac{\ln n}{n+1}=\frac{\ln n}{n(n+1)}+\frac{\ln (1+1/n)}{n}\\
&=\frac{\ln n}{n(n+1)}+\frac{1}{n^2}+o\left(\frac{1}{n^2}\right)\\
&\sim \frac{\ln n}{n(n+1)}\sim\frac{\ln (n+1)}{n^2}(n\to\infty),\end{array}\]
故\[\lim_{n\to\infty}\frac{n^2(\sqrt[n]{n+1}-\sqrt[n+1]{n})}{\ln (n+1)}=1.\]
\end{solution}
\begin{exercise}
求极限\[\lim_{x\to+\infty } {x^{\frac{3}{2}}}\left( {\sqrt {x + 1} + \sqrt {x - 1} - 2\sqrt x } \right)\]
\end{exercise}\begin{solution}\begin{align*}
&\lim\limits_{x \to + \infty } {x^{\frac{3}{2}}}\left( {\sqrt {x + 1} + \sqrt {x - 1} - 2\sqrt x } \right)\\
=&\lim\limits_{x \to + \infty }{x^2}\left( {\sqrt {1 + \frac{1}{x}} + \sqrt {1 - \frac{1}{x}} - 2} \right)\\
=&\lim\limits_{t \to {0^ + }} \frac{{\sqrt {1 + t} + \sqrt {1 - t} - 2}}{{{t^2}}}\\
=&\lim\limits_{t \to {0^ + }} \frac{{\left( {1 + \frac{1}{2}t - \frac{1}{8}{t^2} + o\left( {{t^2}} \right)} \right) + \left( {1 - \frac{1}{2}t - \frac{1}{8}{t^2} + o\left( {{t^2}} \right)} \right) - 2}}{{{t^2}}}\\
= &\lim\limits_{t \to {0^ + }} \frac{{ - \frac{1}{4}{t^2} + o\left( {{t^2}} \right)}}{{{t^2}}} = - \frac{1}{4}
\end{align*}\begin{note}
\[\sqrt {1 + x} = 1 + \frac{1}{2}x - \frac{1}{8}{x^2} + o\left( {{x^2}} \right)\]
\end{note}
\end{solution}
\begin{exercise}
求极限\[\lim_{x\to\infty}\left(\frac{x^{x+1}}{(1+x)^x}-\frac{x}{e}\right)\]
\end{exercise}\begin{solution}\begin{align*}\lim_{x\to\infty}\left(\frac{x^{x+1}}{(1+x)^x}-\frac{x}{e}\right)&=\lim_{x\to\infty}\left(\frac{x}{\left (1+\frac{1}{x}\right)^x}-\frac{x}{e}\right)\\
&=\frac{1}{e}\lim_{x\to\infty}x\left[\frac{1}{\exp\Big(x\ln\big(1+\frac{1}{x}\big)-1\Big)}-1\right]\\
&=\frac{1}{e}\lim_{x\to\infty}x\left[\exp\Biggl(1-x\biggl(\frac{1}{x}-\frac{1}{2x^2}+o\Big(\frac{1}{x^2}\Big)\biggl)\Biggl)-1\right]\\
&=\frac{1}{e}\lim_{x\to\infty}x\left[\exp\biggl(\frac{1}{2x}+o\Big(\frac{1}{x}\Big)\biggl)-1\right]\\
&=\frac{1}{2e}
\end{align*}
\end{solution}
\begin{exercise}
求极限\begin{equation*}\lim_{n \to \infty } \left( {{n^2}\sqrt {\frac{n}{{n + 1}}} - \left( {{n^2} + 1} \right)\sqrt {\frac{{n + 1}}{{n + 2}}} } \right)\end{equation*}
\end{exercise}\begin{solution}
\begin{align*}
&\lim_{n \to \infty } \left( {{n^2}\sqrt {\frac{n}{{n+1}}}-\left( {{n^2}+1}\right)\sqrt {\frac{{n+1}}{{n+2}}} }\right)\\
=&\lim_{n \to \infty } \frac{{{n^3}\sqrt {n + 2} - \left( {{n^2} + 1} \right)\left( {n + 1} \right)\sqrt n }}{{\sqrt {n\left( {n + 1} \right)\left( {n + 2} \right)} }}\\
= &\lim_{n \to \infty } \frac{{\left( {{n^{\frac{7}{2}}}\sqrt {1 + \frac{2}{n}} } \right) - \left( {{n^{\frac{7}{2}}} + {n^{\frac{5}{2}}} + {n^{\frac{3}{2}}} + \sqrt n } \right)}}{{{n^{\frac{3}{2}}}}}\\
= &\lim_{n \to \infty } \frac{{\left( {{n^{\frac{7}{2}}}\left( {1 + \frac{1}{n} - \frac{1}{{2{n^2}}} + o\left( {\frac{1}{{{n^2}}}} \right)} \right)} \right)-\left({{n^{\frac{7}{2}}} + {n^{\frac{5}{2}}} + {n^{\frac{3}{2}}} + \sqrt n}\right)}}{{{n^{\frac{3}{2}}}}}\\
= & - \frac{3}{2}\end{align*}
\begin{note}
\[\sqrt {1 + x} = 1 + \frac{1}{2}x - \frac{1}{8}{x^2} + o\left( {{x^2}} \right)\]
\end{note}
\end{solution}
\begin{example}
求极限 $\lim_{x\to+\infty}x^2\left[\ln\left(1+\frac{1}{x}\right)-\frac{1}{1+x}\right]$
\end{example}\begin{solution}
\begin{align*}
&\lim_{x\to+\infty}x^2\left[\ln\left(1+\frac{1}{x}\right)-\frac{1}{1+x}\right]\\
=&\lim_{x\to+\infty}x^2\left[\frac{1}{x}-\frac{1}{2x^2}-\frac{1}{1+x}+o\left(\frac{1}{x^2}\right)\right]\\
=&\lim_{x\to+\infty}x^2\left[-\frac{1}{2x^2}+o\left(\frac{1}{x^2}\right)\right]+\lim_{x\to+\infty}x^2\left(\frac{1}{x}-\frac{1}{1+x}\right)\\
=&-\frac{1}{2}+1=\frac{1}{2}
\end{align*}
\end{solution}
\begin{example}
求极限 $\lim_{x\to1}\frac{x^x-x}{\ln x-x+1}$
\end{example}\begin{solution}
\begin{align*}
\lim_{x\to1}\frac{x^x-x}{\ln x-x+1}&=\lim_{x\to1}\frac{x\big(e^{(x-1)\ln x}-1\big)}{\ln x-x+1}\\