柯西准则及其应用毕业论文讲解.docVIP

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柯西准则及其应用 摘 要:柯西准则是实数完备性六大定理之一,它是极限论的基础.它的应用贯穿于数学分析课程学习始终.一般地,数学分析课程教材在讨论柯西准则时都只就一种情形来讨论,本文将补给并详细证明其它五种情形函数极限的柯西准则,同时探讨总结柯西准则在极限、级数、积分等方面的灵活应用. 关键词:柯西准则;应用;极限存在;优越性朗读显示对应的拉丁字符的拼音?字典 一种情形来讨论,即 设函数在内有定义,存在的充要条件是:任给,存在正数(),使得对任何,,都有. 事实上,当,,,,五种情形函数极限存在的柯西准则可以类比,它们的应用也非常广泛.本文将详细叙述并证明其它五种情形函数极限的柯西准则,同时探讨总结柯西准则在极限、级数、积分等方面的灵活应用,充分展示其在解决上述几个方面问题的优越性和博大精深之处. 1 柯西准则的其它五种形式 定理1.1 设函数在内有定义.存在的充要条件是:任给,存在正数,使得对任何,,均有. 证 必要性 设,则对任给的,存在正数(),使得对有.于是对有 充分性 设数列且,按假设,对任给的,存在正数(),使得对任何,,有 由于对上述的存在使得当时有 从而有 . 于是,按数列极限的柯西收敛准则,数列的极限存在,记为,即. 设另一数列且,则如上所证,存在,记为.现证 ,为此,考虑数列 易见且,故仍如上面所证,也收敛.于是,作为的两个子列,与必有相同的极限,所以由归结原则推得. 证毕 定理1.2 设函数在内有定义.存在的充要条件是:任给,存在正数,使得对任何,,均有. 以下利用定理1.2和致密性定理证明数列极限的柯西准则的充分性. 证 充分性 设数列满足柯西条件,先证明是有界的.为此,取,则存 正整数,当及时有 由此得 . 令 则对一切正整数均有. 于是,由致密性定理可知,有界数列必有收敛子列,设.对任给的,存在,当时,同时有 (由柯西条件), (由). 因而当取时,得到 . 这就证明了. 有归结原则:对任何有 充分性即证. 必要性 设.有数列极限定义,对任给的,存在 当时有 因而 . 由归结原理知,即可证得. 证毕 注 归结原则的意义在于实现函数极限和数列极限的相互转化,从而可以应用归结原则和数列极限的有关性质解决函数极限问题. 定理1.3 充分大的,设函数在内有定义.存在的充要条件是:任给,存在正数,使得对任何,,均有. 证 先证必要性.设,按照定义,,, , 于是 . 再证充分性.设,, . 任意选取数列,.则对上述,.有 . 这说明函数值数列是基本数列,因而必定收敛.根据相应的归结原则,可知存在而且有极限. 证毕 注 上述证明过程中用到了基本数列,下面介绍基本数列的定义 如果数列具有以下特征:, 则称数列是一个基本数列. 定理1.4 充分大的,设函数在内有定义.存在的充要条件是:任给,存在正数,使得对任何,,均有. 证 必要性 设,则对任给的,存在正数,使得对任何有. 于是对任何有 充分性 设数列且.按假设,对任给的,存在正数 ,使得对任何,有 . 由于对上述的,存在使得当时有,从而有 于是,按数列的柯西收敛准则,数列的极限存在,记为,即 . 设另一数列且,则如上所证,存在,记为.现证,为此,考虑数列 易见且,故仍如上面所证,也收敛.于是,作为的两个子列,与必有相同的极限,所以由归结原则推得. 证毕 定理1.5 充分大的,设函数在内有定义.存在的充要条件是:任给,存在正数,使得对任何,均有. 定理1.5的证明可以类似前面4个定理的证明. 2 归纳柯西准则在数学分析中的应用. 2.1柯西准则在实数完备性理论中的应用 实数完备性是数学分析的基础,其六大定理即确界原理、单调有界定理、区间套定理、有限覆盖定理、聚点定理、柯西准则,建立了实数完备性理论的骨架.作为六大定理之一的柯西准则,起着至关重要的作用,由该准则入手,可依次推出其它五个定理. 2.1.1 用数列的柯西收敛准则证明确界原理. 证 设为非空有上界数集.由实数的阿基米德性,对任何正数,存在整数,使得为的上界,而不是的上界,即存在,使得. 分别取则对每一个正整数,存在相应的,使得为的上界,而不是的上界,故存在,使得 . (1) 又对正整数,是的上界,故有.结合(1)式得;同理有.从而得 . 于是,对任给的,存在,使得当时有 . 由柯西收敛准则,数列收敛.记 . (2) 现在证明就是的上确界.首先,对任何和正整数有,由(2)式得,即是的一个上界.其次,对任何,由及(2)式,对充分大的同时有 . 又因不是的上界,故存在,使得.结合上式得 . 这说明为的上确界. 同理可证:若为非空有下界数集,则必存在下确界. 2.1.2 用平面点列收敛的柯西准则证明闭区间套定理 证 在闭域

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