复旦大学：《数学分析》教材习题全解（上册）第二章 数列极限 习题 2.3 无穷大量 习题 2.4 收敛准则

习题2.3无穷大量 1.按定义证明下述数列为无穷大量 2n+1 ga 3)in-arc tan n); √n+1√n+2 证(1)vG>0,取N=[3o],当n>N时,成立m+>">G。 2n+13 (2)yG>0,取N=a?],当n>N时,成立lg11=10gn>G。 (3)vG>0,取N=G+],当n>N时,成立-acmn>G (4)VG>0,取N=[2G2],当n>N时,成立 2.(1)设iman=+(或-∞),按定义证明 a1+a2+…+a +∞(或-∞) (2)设an>0, lim a=0,利用(1)证明: lim(a1a2…an)=0 证(1)设 lim a=+0,则vG>0,3N1>0,Ⅶn>N1:an>3G。对固定的M, 彐N>2N1,Vn>N +吗+a<9,于是 a1+a2+…+an、alN+1+aN1+2+…+ 1+a2+…+a 3G G 同理可证当 lim a=-∞时,成立 lim -12++an=

习 题 2.3 无穷大量 1. 按定义证明下述数列为无穷大量： (1) ⎭ ⎬ ⎫ ⎩ ⎨ ⎧ + + 2 1 1 2 n n ； (2) ⎭ ⎬ ⎫ ⎩ ⎨ ⎧ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ n a 1 log (a > 1)； (3) { n − arc tan n }； (4) ⎭ ⎬ ⎫ ⎩ ⎨ ⎧ + + + + n + n 2n 1 2 1 1 1 " 。 证（1）∀G > 0，取 N = [3G]，当n > N 时，成立 G n n n > > + + 2 1 3 1 2 。 （2）∀G > 0，取 N = [aG ]，当n > N 时，成立 n G n a ⎟ = a > ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ log 1 log 。 （3）∀G > 0，取 ] 2 [ π N = G + ，当n > N 时，成立 n − arctan n > G。 （4）∀G > 0，取 N = [2G2 ]，当n > N 时，成立 G n n n n n + + > > + + + 2 2 1 2 1 1 1 " 。 2. (1) 设lim n→∞ an = +∞ (或− ∞ )，按定义证明： lim n→∞ a a a n 1 2 + +"+ n = +∞ (或− ∞ ); (2) 设a ＞0， = 0 ，利用（1）证明： n lim n→∞ an lim n→∞ (a a an n 1 2 1 " ) = 0。 证（1）设 = +∞，则 →∞ n n lim a ∀G > 0,∃N1 > 0,∀n > N1 : an > 3G 。对固定的 N1， 2 , : ∃N > N1 ∀n > N 2 1 1 2 G n a a aN < + +"+ ，于是 ≥ + + + n a1 a2 " an n aN +1 + aN +2 +"+ an 1 1 G G G n a a aN > − = + + + − 2 2 1 2 " 1 3 。 同理可证当lim 时，成立 n→∞ an = −∞ lim n→∞ a a a n 1 2 + +"+ n = −∞ 。 20

I Ina, +lna (2)ln(a1a2…an) +1nan,由 lim I.==,可知 lim In(a1a2…an) 从而 lim(a1a2…an)=0。 3.证明 (1)设{xn}是无穷大量,|yn|≥8>0,则{xnyn}是无穷大量; (2)设{x}是无穷大量,im,=b≠0,则{xnx}与二}都是无穷大 量 证(1)因为{xn}是无穷大量,所以vG>0,N,n>N,成立n|> 于是vn>N,成立xnyn>G,所以{xnyn}也是无穷大量 (2)由im,y2=b≠0,可知N,Wm>N,成立,==2。因为{x} 是无穷大量,所以vG>0,N",m>N",成立>m012 取N=ma,N,v>N,成立x>G与图>G,所以{x,y,}与 都是无穷大量。 4(1)利用 Stolz定理,证明: 12+32+52+…+(2n+1)24 (2)求极限加m+3+5++(2+2-4 解(1)m12+32+52+…+(2n+D=m(2n+D2L

（2） n a a an 1 1 2 ln( " ) n a a an ln 1 + ln 2 + + ln = " ，由 = −∞ →∞ n n lim ln a ，可知 = −∞ →∞ n n n a a a 1 1 2 lim ln( " ) ，从而 lim n→∞ (a a an n 1 2 1 " ) n n = 0。 3. 证明： (1) 设{ x }是无穷大量，｜ y ｜≥ > δ 0，则{ xn yn }是无穷大量； (2) 设{ xn }是无穷大量，lim n→∞ yn = b≠0，则{ xn yn }与 ⎭ ⎬ ⎫ ⎩ ⎨ ⎧ n n y x 都是无穷大 量。 证 （1）因为{ xn }是无穷大量，所以∀G > 0，∃N ，∀n > N ，成立 δ G xn > 。 于是∀n > N ，成立 xn yn > G ，所以{ xn yn }也是无穷大量。 （2）由lim ≠0，可知 ' n→∞ yn = b ∃N ，∀n > N'，成立 y b b n 2 2 ≤ ≤ 。因为{ } 是无穷大量，所以 ， xn ∀G > 0 ∃N"，∀n > N"，成立 ⎪⎭ ⎪ ⎬ ⎫ ⎪⎩ ⎪ ⎨ ⎧ > b G b G xn ,2 2 max 。 取 N = max{ } N',N" ，∀n > N ，成立 xn yn > G 与 G y x n n > ，所以{ xn yn }与 ⎭ ⎬ ⎫ ⎩ ⎨ ⎧ n n y x 都是无穷大量。 4. (1) 利用 Stolz 定理，证明： lim n→∞ 1 3 5 2 1 4 3 2 2 2 2 3 + + + + + = " ( ) n n ； (2) 求极限lim n→∞ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ − + + + + + 3 1 3 5 (2 1) 4 3 2 2 2 2 n n n " 。 解（1）lim n→∞ = + + + + + 3 2 2 2 2 1 3 5 (2 1) n " n lim n→∞ 3 4 ( 1) (2 1) 3 3 2 = − − + n n n 。 21

(2)lim 12+32+52+…+(2n+1)2 3[1+3-2+…+(2n+1)2]-4 3n2 imn232n+12-4n2+4-) lim 24n-1 4 3n2-3(n-1 5.利用 Stolz定理,证明: (1)lim 10gan=0(a>1); (2)lim-=0(a>1,k是正整数) 证(1)1im1ogn =0。 (2)lim PkI(n) a"-(a-1) 其中P-1(n)为关于n的k-1次多项式;重复上述过程k次即得到 P lin Pk_(n)=lim lim- Po(n) 0。 6.(1)在Solz定理中,若im3-xm1=∞,能否得出im3=∞的结 yn-y 论? (2)在Stoz定理中,若m如x不存在,能否得出lm3不存 在的结论? 解(1)不能。考虑例子xn=(-)"n,yn=n,im--m n→Vn-yn =m(-1)2n-1)=∞,但Imx=lm(-1y极限不存在。 n→① (2)不能。考虑例子x,=1-2+3-4++(-1)n,yn=n2,1imx-x

（2）lim n→∞ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ − + + + + + 3 1 3 5 (2 1) 4 3 2 2 2 2 n n n " →∞ = n lim 2 2 2 2 3 3 3[1 3 (2 1) ] 4 n + +"+ n + − n →∞ = n lim 2 2 2 3 3 3 3( 1) 3(2 1) 4 4( 1) − − + − + − n n n n n →∞ = n lim 4 6 3 24 1 = − − n n 。 5. 利用 Stolz 定理，证明： (1) lim n→∞ loga n n = 0 ( a > 1)； (2) lim n→∞ n a k n = 0 ( a > 1，k 是正整数)。 证 （1）lim n→∞ loga n n = lim n→∞ 0 1 log = n − n a 。 （2）lim n→∞ n a k n =lim n→∞ = − − − −1 ( 1) n n k k a a n n lim n→∞ ( 1) ( ) 1 1 − − − a a P n n k ， 其中Pk−1 (n)为关于n的k −1次多项式；重复上述过程k 次即得到 lim n→∞ n a k n =lim n→∞ = − − − ( 1) ( ) 1 1 a a P n n k lim n→∞ = − − − 2 2 2 ( 1) ( ) a a P n n k →∞ = n " lim 0 ( 1) ( ) 0 = − n−k k a a P n 。 6. (1) 在 Stolz 定理中，若lim n→∞ x x y y n n n n − − − − 1 1 = ∞，能否得出lim n→∞ x y n n = ∞的结 论? (2) 在 Stolz 定理中，若lim n→∞ x x y y n n n n − − − − 1 1 不存在，能否得出lim n→∞ x y n n 不存 在的结论? 解 （1）不能。考虑例子 x n , n n = −( )1 y n n = ，lim n→∞ x x y y n n n n − − − − 1 1 →∞ = n lim = ∞ − − 1 ( 1) (2n 1) n ， 但 lim n→∞ x y n n n n = lim(−1) →∞ 极限不存在。 （2）不能。考虑例子 x n n = −1 2 + 3 − 4+"+( ) −1 n−1 , yn = n 2 ，lim n→∞ x x y y n n n n − − − − 1 1 22

=lim (-1)n 极限不存在,但lim=0 2n-1 7.设0<λ<1, lim a=a,证明 x2an2+…+2a0) 证记k=x-,则an+lan1+…+"ao= k"an+k"an1+…+a ,利用 Stolz 定理 n(an+Man-1+2an2+…+2a)=limk"an+1+…+ao li n→k"(k-1)1-2 8.设An=∑a,当n→∞时有极限。{Pn}为单调递增的正数数列,且 pn→+∞0(n→∞)。证明 P1a1+P2a2+…+Pna Pn 证设lmA1n=A,作代换a=A4-Ak-1,得到 P1a1+P2a2+…+pnan=Aa A(P2-P)+A(P3-P2)+…+An1(PnPn=), P P 对上式求极限,在求后一分式的极限时应用Solz定理, lim P yt P22+fInan P lim A.-lim A(p2-P1)+A2(P3-P2)+.+An-1(Pn-Pn-l n→)0 pn 4-lim A,(Pn -Pn-12=4-4=0 Pn- p

2 1 ( 1) lim 1 − − = − →∞ n n n n 极限不存在，但lim n→∞ x y n n = 0。 7. 设 0＜λ ＜1，lim ，证明 n→∞ an = a lim n→∞ ( a a a a ) n n n n + + λ λ − − 1 + +λ 2 2 0 " = − a 1 λ 。 证 记k = λ −1 ，则 n n n n n n n n k k a k a a a a a 1 0 1 1 0 + + + + + + = − − − " λ " λ ，利用 Stolz 定理， lim n→∞ ( a a a a ) n n n n + + λ λ − − 1 + +λ 2 2 0 " n n n n n n k k a k a a 1 0 1 lim + + + = − − →∞ " ( 1) lim 1 − = − →∞ k k k a n n n n − λ = 1 a 。 8. 设 ,当 时有极限。{ }为单调递增的正数数列，且 ( n ）。证明： A a n k k n = = ∑ 1 n → ∞ pn pn → +∞ → ∞ lim n→∞ p a p a p a p n n n 1 1 2 2 0 + + + = " 。 证 设 An A，作代换 n = →∞ lim ak = Ak − Ak−1，得到 = + + + n n n p p a p a " p a 1 1 2 2 n n n n n p A p p A p p A p p A ( ) ( ) ( ) 1 2 − 1 + 2 3 − 2 + + −1 − −1 − " ， 对上式求极限，在求后一分式的极限时应用 Stolz 定理， lim n→∞ n n n p p1a1 + p2a2 +"+ p a n n n n n n n p A p p A p p A p p A ( ) ( ) ( ) lim lim 1 2 1 2 3 2 −1 −1 →∞ →∞ − + − + + − = − " = A − lim n→∞ 1 1 ( ) − − − − n n n n n p p A p p = A − A = 0。 23

习题2.4收敛准则 利用lm1+-=求下列数列的极限 (1) lim 1 (2)lim|1+ n→∞ n→① n+1 (3)lim 1 (4) lim 1 (5 lim 1+ 解(1)lm(1-1 (2)lim1+ lim 1+ n+1 (3)lim1+ lim‖1 H→0 (4) lim 1+I=lim 1 →① (5)当n≥2时,有 1+ 由im1+ n+2=e与lim1+ 即得 2.利用单调有界数列必定收敛的性质,证明下述数列收敛,并求出 极限: (1)x1=√2,xn1=√2+xn,n=12,3…;

习 题 2.4 收敛准则 1． 利用lim n→∞ e n n ⎟ = ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ + 1 1 求下列数列的极限： ⑴ lim n→∞ n n ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − 1 1 ; ⑵ lim n→∞ n n ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ + + 1 1 1 ; ⑶ lim n→∞ n n ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ + 2 1 1 ; ⑷ lim n→∞ n n ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ + 2 1 1 ; (5) lim n→∞ n n n ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ + − 2 1 1 1 。 解（1）lim n→∞ n n ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − 1 1 →∞ = n lim = ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − ⎟ + ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − + −( −1) −1 1 1 1 1 1 1 n n n e 1 。 （2）lim n→∞ n n ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ + + 1 1 1 →∞ = n lim = ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ + ⎟ + ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ + + +1 −1 1 1 1 1 1 1 n n n e。 （3）lim n→∞ n n ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ + 2 1 1 →∞ = n lim = ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ + 2 1 2 2 1 1 n n e 。 （4）lim n→∞ n n ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ + 2 1 1 →∞ = n lim = ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ + n n n 1 2 2 1 1 1。 （5）当n ≥ 2时，有 n n n n n n n ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ⎟ < + ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ⎟ ≤ + − ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ + + 1 1 1 1 1 2 1 1 2 。 由lim n→∞ e n n ⎟ = ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ + + 2 1 1 与lim n→∞ e n n ⎟ = ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ + 1 1 ，即得lim n→∞ e n n n ⎟ = ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ + − 2 1 1 1 。 2. 利用单调有界数列必定收敛的性质，证明下述数列收敛，并求出 极限： (1) x1= 2 , xn+1= 2 + xn , n = 1 2, ,3,"； 24