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2012年1月3日星期二

证明斯笃兹定理


无限递增数列$b_0,b_1,...,b_n,\cdots$与数列$a_0,a_1,\cdots,a_n,\cdots$其中$\lim_{n\to\infty}b_n=\infty$而且$\lim_{n\to\infty}\frac{a_n-a_{n-1}}{b_n-b_{n-1}}$存在(有限或无穷),则

$$\lim_{n\to\infty}\frac{a_n}{b_n}=\lim_{n\to\infty}\frac{a_n-a_{n-1}}{b_n-b_{n-1}}$$
把数列

$$a_0,a_1-a_0,a_2-a_1,a_3-a_2,...a_n-a_{n-1},\cdots$$

记为

$$x_0,x_1,x_2,x_3,\cdots,x_n,\cdots$$

把数列

$$b_0,b_1-b_0,b_2-b_1,b_3-b_2,\cdots b_n-b_{n-1},\cdots$$

记为

$$y_0,y_1,y_2,y_3,...,y_n,\cdots$$

则斯笃兹定理可以改写为:无限数列$x_0,x_1,x_2,x_3,\cdots,x_n,\cdots$与从第二项开始各项为正的数列(第一项随便)$y_0,y_1,y_2,y_3,\cdots,y_n,\cdots$,其中$\displaystyle\sum_{i=0}^\infty y_i=\infty$,且$\lim_{n\to\infty}\frac{x_n}{y_n}$存在(有限或无限).则

$$\lim_{n\to\infty}\frac{x_0+x_1+...x_n}{y_0+y_1+...y_n}=\lim_{n\to\infty}\frac{x_n}{y_n}$$

这样子变换一下,斯笃兹定理就显得直观.不过仍旧需要严格的论证.

当$\lim_{n\to\infty}\frac{x_n}{y_n}$存在且有限时,设为$L$.则对于任意给定的正实数$\varepsilon$,都存在正整数$N$,当$n\geq N$时都有$|\frac{x_n}{y_n}-L|<\varepsilon$我们可以放心地把$\lim_{n\to\infty}\frac{x_0+x_1+...x_n}{y_0+y_1+...y_n}$(不管该极限存在与否)改写成$\lim_{n\to\infty}\frac{x_N+x_{N+1}+...x_n}{y_N+y_{N+1}+...y_n}$,这是因为$\displaystyle\sum_{i=0}^\infty y_i=\infty$,删去$\lim_{n\to\infty}\frac{x_0+x_1+...x_n}{y_0+y_1+...y_n}$中的$y_0,y_1,...y_{N-1}$\\与$x_0,x_1,...x_{N-1}$不会影响极限计算结果.如果你一定要又无聊又简单的详细过程的话,你就去写出来吧.



下面我们看看$\frac{x_N+x_{N+1}+...+x_n}{y_N+y_{N+1}+...+y_n}$的几何意义:
设$\overrightarrow{A_i}=(y_i,x_i)(i=N,N+1,...n)$,则$\frac{x_N+x_{N+1}+...+x_n}{y_N+y_{N+1}+...+y_n}$的几何意义是$\overrightarrow{B}=\overrightarrow{A_1}+\overrightarrow{A_2}+...+\overrightarrow{A_n}$所在直线的斜率.
而且$\overrightarrow{A_i}=(y_i,x_i)(i=N,N+1,...n)$的斜率通通限制在区间(L-$\varepsilon$,L+$\varepsilon)$之间.
想想直观图景:
一束束代表着向量的线段全都被束缚在区间$(L-\varepsilon,L+\varepsilon)$内,
最上面的虚线代表斜率为$L+\varepsilon$的向量,最下面的虚线代表着斜率为$L-\varepsilon$的向量.
下面看向量$\overrightarrow{B}$,$\overrightarrow{B}$的斜率我们采用数学归纳法(其实明眼人一眼就看得出来)易得仍在区间$(L-\varepsilon,L+\varepsilon)$内.
这样,我们就证完了斯笃兹定理当$\lim_{n\to\infty}\frac{x_n}{y_n}$为有限数时的情形.


对于$\lim_{n\to\infty}\frac{x_n}{y_n}$为无限数时的情形,也就是$L=\infty$时,其实
那一束束直线是紧密围绕在$y$轴附近的,按照以上一样的方法也可以很容易证明.$\Box$

利用斯笃兹定理证明一种类型的洛必达法则


已知$\displaystyle\lim_{x\to\infty}g(x)=\infty$,而且$\lim_{n\to\infty}\frac {f'(x)}{g'(x)}=L$或者$\lim_{n\to\infty}\frac {f'(x)}{g'(x)}$是无限.而且存在正实数$K$,当$a>K$时,都有$g'(a)\neq 0$而且保证$f(a)$与$g(a)$的可导,则$\displaystyle\lim_{x\to\infty}\frac{f(x)}{g(x)}=\lim_{x\to\infty}\frac{f'(x)}{g'(x)}$



证明:当$\lim_{n\to\infty}\frac {f'(x)}{g'(x)}$有限时,在区间$(K,+\infty)$上取间隔为1的点:$x_1<x_2<x_3<\cdots$,这些点对应的函数值分别为$f(x_1),f(x_2),\cdots$和$g(x_1),g(x_2),\cdots$

因为$\lim_{n\to\infty}\frac{f'(x)}{g'(x)}=L$,即对于任意给定的正实数$\varepsilon$,都存在相应的正实数$M$,对于一切$x>M$都有

$$\displaystyle |\frac{f'(x)}{g'(x)}-L|<\varepsilon                     (1)$$

我们知道,必定存在正整数$P$,使得$x_P,x_{P+1},x_{P+2},\cdots$都大于$M$.现在要证的是:对于任意一个大于或等于$P$的正整数$N$,都有

$$\displaystyle |\frac{f(x_{N+1})-f(x_N)}{g(x_{N+1})-g(x_N)}-L|<\varepsilon(2)$$


这是因为根据柯西中值定理,必定有$t\in(x_N,x_{N+1})$,使得$\frac{f'(t)}{g'(t)}=\frac{f(x_{N+1})-f(x_N)}{g(x_{N+1})-g(x_N)}$,再结合(1)得证(2).
可见,$\lim_{n\to\infty}\frac{f(x_{n+1})-f(x_n)}{g(x_{n+1})-g(x_n)}=L$.由于当$a>K$时,$g'(a)\neq 0$,且$g'(a)$可导,根据导函数的连续性(达布定理),$g'(a)$恒大于0或者恒小于0.那么我们很容易得出数列$g(x_N),g(x_{N+1}),\cdots$是单调的,那么我们现在就可以使用斯笃兹定理.由斯笃兹定理,$\lim_{n\to\infty}\frac{f(x_n)}{g(x_n)}=L$
证到这一步就可以推出$\lim_{x\to\infty}\frac{f(x)}{g(x)}=L$了.因为我并没有规定$x_1,x_2,...$必须为整数,只是它们的间隔必须为1而已,若存在给定的正实数$\Delta$,对于任意的正实数$K$都存在实数$m>K$,使得$|\frac{f(m)}{g(m)}-L|>\Delta$,那么我可以在距离$m$很近的地方设置一个$x_i$,因为易证$\frac{f(x)}{g(x)}$在$x$很大的时候肯定是一个连续函数,那么$\frac{f(m)}{g(m)}$与$\frac{f(x_i)}{g(x_i)}$也会很近,可以达到想多近就有多近的程度.这就与$|\frac{f(m)}{g(m)}-L|>\Delta$矛盾.

对于$\lim_{x\to\infty}\frac{f'(x)}{g'(x)}$是无限的情况,留待以后.