数列极限四则运算误区

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数列极限的四则运算法则有这么一条:<br>
$$\lim_{n\rightarrow\infty}(a_n+b_n)=\lim_{n\rightarrow\infty}a_n+\lim_{n\rightarrow\infty}b_n$$
运用上面的法则,来看下面这道题:<br>
$$\lim_{n\rightarrow\infty}(\frac{1}{\sqrt {n^2+1}}+\frac{1}{\sqrt {n^2+2}}+...+\frac{1}{\sqrt {n^2+n}})$$
很自然的,我们有:原式=
$$\lim_{n\rightarrow\infty}\frac{1}{\sqrt{n^2+1}}+\lim_{n\rightarrow\infty}\frac{1}{\sqrt{n^2+2}}+...+\lim_{n\rightarrow\infty}\frac{1}{\sqrt{n^2+n}}=0+0+...+0=0$$
一切看上去似乎毫无任何破绽,有破绽吗?<br>
我们知道,数列极限的性质中,有一个“迫敛性定理”,也叫作“夹逼准则”,是这样叙述的:<br>
> 设收敛数列${a_n},b_n$都以$a$为极限,数列$c_n$满足:存在正数$N_0$,当$n>N_0$时有$a_n<=c_n<=b_n$,则数列$c_n$收敛,且$\lim_{n\rightarrow\infty}{c_n}=a$.

运用迫敛性定理,再次计算上题:<br>
$$1=\lim_{n\rightarrow\infty}\frac{n}{\sqrt{n^2+n}}=\lim_{n\rightarrow\infty}(\frac{1}{\sqrt {n^2+n}}+\frac{1}{\sqrt {n^2+n}}+...+\frac{1}{\sqrt {n^2+n}})<\\\lim_{n\rightarrow\infty}(\frac{1}{\sqrt {n^2+1}}+\frac{1}{\sqrt {n^2+2}}+...+\frac{1}{\sqrt {n^2+n}})\\<\lim_{n\rightarrow\infty}(\frac{1}{\sqrt {n^2+1}}+\frac{1}{\sqrt {n^2+1}}+...+\frac{1}{\sqrt {n^2+1}})=\lim_{n\rightarrow\infty}\frac{n}{\sqrt{n^2+1}}=1$$
此时得到的答案是1.<br>
事实上,**这道题的答案就是1**,那么第一种解法在哪里出问题了呢?<br>
仔细观察题干,当$n\rightarrow\infty$时,括号里面的项数会随之增加到无穷多项,从而题目就等价于求解**无穷多个无穷小之和**,这是**极限的未定式**的一种,叫做$\infty*0$型,这类式子(即“未定式”)的极限不确定,可以是0,是其他数,也可以不存在,它的极限不一定等于0,也就不满足四则运算法则,所以解法1不可行.<br>
下面的栗子同样如此:<br>
$$1=\lim_{n\rightarrow\infty}1=\lim_{n\rightarrow\infty}n\frac{1}{n}=\lim_{n\rightarrow\infty}\frac{1}{n}+\lim_{n\rightarrow\infty}\frac{1}{n}+...+\lim_{n\rightarrow\infty}\frac{1}{n}=0+0+...+0=0$$
当把1拆成$n$个$\frac{1}{n}$之和时,$\frac{1}{n}$的个数会随着$n\rightarrow\infty$而趋于$\infty$,这也是上面的$\infty*0$未定式型.<br>

通过这个栗子,我们要谨记:**极限的四则运算法则只对有限项成立,当推广到无限项时则不一定成立,因为此时会出现未定式,而未定式不能使用四则运算.**<br>
***
现在来总结下极限的7种未定式,它们分别是:<br>
(1)0/0

(2)∞/∞

(3)0·∞(栗子)

(4)∞-∞

(5)0^0

(6)∞^0

(7)1^∞

对于这些未定式,都不能运用极限的四则运算!<br>
![](/home/fantasy/Desktop/sxfx/1.jpg)
![](/home/fantasy/Desktop/sxfx/2.jpg)
***
写了一大堆,其实最初的想法来源是陈纪修老师的教材上的一道题,现在来一起看一下这道题:<br>
* 设$a_n>0$,$\lim_{n\rightarrow\infty}a_n=a$,求证$\lim_{n\rightarrow\infty}\sqrt[n]{a_1a_2...a_n}$
![](/home/fantasy/Desktop/sxfx/3.jpg)<br>
在第一个证明的倒数第二行,即
$$\lim_{n\rightarrow\infty}|\frac{a_1+a_2+...+a_n}{n}-a|=\lim_{n\rightarrow\infty}\frac{(a_1-a)+(a_2-a)+...+(a_n-a)}{n}=0$$
这里计算出来的那个0,并不是运用四则运算法则将其拆开,因为这里也是有无穷多项,虽然拆开计算的结果也是0,但是这只是巧合罢了,正确的做法是:<br>
由已知$\lim_{n\rightarrow\infty}a_n=a$,并且在前一步已经证明了当$a=0$时,$\lim_{n\rightarrow\infty}\frac{a_1+a_2+...+a_n}{n}=0=a$,即**$a_n$**是无穷小量时所证引理结论成立.<br>
而当$a!=0$时,$a_n-a$便是无穷小量(理由:在题干中,将已知的$\lim_{n\rightarrow\infty}a_n=a$中的$a$移到左侧即得$\lim_{n\rightarrow\infty}(a_n-a)=0$),既然$a_n-a$是无穷小量了,那就可以套用刚刚证明的结论了(这个结论通俗点说就是:若$a_n$的极限是$a$,**如果$a_n$是无穷小量**,即$a=0$,**则有$\lim_{n\rightarrow\infty}\frac{a_1+a_2+...+a_n}{n}=a=0$,用的就是它等于0这一点)**,现在的无穷小量是$a_n-a$,那么就应该有$\lim_{n\rightarrow\infty}\frac{(a_1-a)+(a_2-a)+...+(a_n-a)}{n}=0$.

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