数列与函数值数列的敛散性关系
一、问题背景
在考研数学范围内,函数 y=f(x) 的约定是:一个自变量 x 只能对应唯一的 y,即不会出现”一个 x 对应两个 y“的情形。但反过来,一个 y 可以对应多个 x 是常见现象,例如
f(x)=x2,f(1)=f(−1)=1.
我们要问:已知 {f(xn)} 或 {xn} 之一收敛,能否推出另一个也收敛?答案取决于 f 的连续性、区间是否有界,以及 f 是否为一一对应(即一个 y 只对应一个 x)。
二、四条核心结论
结论①:xn 收敛 ⇒ f(xn) 收敛
这是连续函数保极限性的直接推论,属于基本结论,无需证明。
结论②:有限区间 + 连续 + 一一对应 ⇒ f(xn) 收敛 ⇔ xn 收敛
结论③:无限区间 + 连续 + 一一对应 + x→∞ 时 f(x)→∞ ⇒ f(xn) 收敛 ⇒ xn 收敛
结论④:一个 y 对应多个 x 时,f(xn) 收敛推不出 xn 收敛
三、真题演练
例 1.77(2022 年数二真题)
解答
令 tn=sinxn,则 tn∈[−1,1]。外层函数 cost 在 [−1,1] 上不是一一对应(例如 cost1=cost2 当 t1=−t2 时),因此
cos(sinxn) 收敛⟹sinxn 收敛,
更推不出 xn 收敛。故(A)、(C)错误。
令 un=cosxn,则 un∈[0,1]。外层函数 sinu 在 [0,1] 上严格单调递增,且 un 落在有限区间 [0,1] 内,sinu 连续。由结论②,
sin(cosxn) 收敛⟹cosxn 收敛.
但 cosx 本身不是一一对应(例如 cosx1=cosx2 当 x1=−x2 时),因此
cosxn 收敛⟹xn 收敛.
例如可取 xn=(−1)narccosa(a∈(0,1)),则 cosxn≡a 收敛,但 xn 在 ±arccosa 之间震荡。
例 1.78(2017 年数二真题)
解答
-
(A)错误:sinx=0 对应无穷多个 x(x=kπ)。取
xn={0,π,n 为奇数,n 为偶数,
则 sinxn≡0,但 xn 不收敛。
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(B)错误:取 xn=−1,则 xn+∣xn∣=−1+1=0,显然 xn→0。
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(C)错误:取 xn=−1,则 xn+xn2=−1+1=0,同样 xn→0。
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(D)正确:设 f(x)=x+sinx,则
f′(x)=1+cosx≥0,
且 f′(x)=0 仅在孤立点 x=(2k+1)π 处成立,因此 f(x) 在 R 上严格单调递增,即一个 y 只对应一个 x。又 f(x) 连续,且题设 {xn} 收敛(故必有界),由结论②可得
f(xn)→0⟹xn→0.
四、一句话总结
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