MASTERY · MATHEMATICS

数列与函数值数列的敛散性关系

1.7k WORDS 8 MIN READ #考研数学

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)y=f(x) 的约定是:一个自变量 xx 只能对应唯一的 yy,即不会出现”一个 xx 对应两个 yy“的情形。但反过来,一个 yy 可以对应多个 xx 是常见现象,例如

f(x)=x2,f(1)=f(1)=1.f(x)=x^2,\qquad f(1)=f(-1)=1.

我们要问:已知 {f(xn)}\{f(x_n)\}{xn}\{x_n\} 之一收敛,能否推出另一个也收敛?答案取决于 ff 的连续性、区间是否有界,以及 ff 是否为一一对应(即一个 yy 只对应一个 xx)。

二、四条核心结论

结论①:xnx_n 收敛 \Rightarrow f(xn)f(x_n) 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 \Rightarrow f(xn)f(x_n) 收敛 \Leftrightarrow xnx_n 收敛


结论③:无限区间 + 连续 + 一一对应 + xx\to\inftyf(x)f(x)\to\infty \Rightarrow f(xn)f(x_n) 收敛 \Rightarrow xnx_n 收敛


结论④:一个 yy 对应多个 xx 时,f(xn)f(x_n) 收敛推不出 xnx_n 收敛

三、真题演练

例 1.77(2022 年数二真题)

解答

tn=sinxnt_n=\sin x_n,则 tn[1,1]t_n\in[-1,1]。外层函数 cost\cos t[1,1][-1,1]不是一一对应(例如 cost1=cost2\cos t_1=\cos t_2t1=t2t_1=-t_2 时),因此

cos(sinxn) 收敛sinxn 收敛,\cos(\sin x_n)\text{ 收敛}\quad\xcancel{\Longrightarrow}\quad\sin x_n\text{ 收敛},

更推不出 xnx_n 收敛。故(A)、(C)错误。

un=cosxnu_n=\cos x_n,则 un[0,1]u_n\in[0,1]。外层函数 sinu\sin u[0,1][0,1]严格单调递增,且 unu_n 落在有限区间 [0,1][0,1] 内,sinu\sin u 连续。由结论②,

sin(cosxn) 收敛cosxn 收敛.\sin(\cos x_n)\text{ 收敛}\quad\Longrightarrow\quad\cos x_n\text{ 收敛}.

cosx\cos x 本身不是一一对应(例如 cosx1=cosx2\cos x_1=\cos x_2x1=x2x_1=-x_2 时),因此

cosxn 收敛xn 收敛.\cos x_n\text{ 收敛}\quad\xcancel{\Longrightarrow}\quad x_n\text{ 收敛}.

例如可取 xn=(1)narccosax_n=(-1)^n\arccos aa(0,1)a\in(0,1)),则 cosxna\cos x_n\equiv a 收敛,但 xnx_n±arccosa\pm\arccos a 之间震荡。


例 1.78(2017 年数二真题)

解答

  • (A)错误sinx=0\sin x=0 对应无穷多个 xxx=kπx=k\pi)。取

    xn={0,n 为奇数,π,n 为偶数,x_n=\begin{cases}0,&n\text{ 为奇数},\\ \pi,&n\text{ 为偶数},\end{cases}

    sinxn0\sin x_n\equiv 0,但 xnx_n 不收敛。

  • (B)错误:取 xn=1x_n=-1,则 xn+xn=1+1=0x_n+\sqrt{|x_n|}=-1+1=0,显然 xn↛0x_n\not\to 0

  • (C)错误:取 xn=1x_n=-1,则 xn+xn2=1+1=0x_n+x_n^2=-1+1=0,同样 xn↛0x_n\not\to 0

  • (D)正确:设 f(x)=x+sinxf(x)=x+\sin x,则

    f(x)=1+cosx0,f'(x)=1+\cos x\ge 0,

    f(x)=0f'(x)=0 仅在孤立点 x=(2k+1)πx=(2k+1)\pi 处成立,因此 f(x)f(x)R\mathbb{R}严格单调递增,即一个 yy 只对应一个 xx。又 f(x)f(x) 连续,且题设 {xn}\{x_n\} 收敛(故必有界),由结论②可得

    f(xn)0xn0.f(x_n)\to 0\quad\Longrightarrow\quad x_n\to 0.

四、一句话总结

Discussion

Comments

Post

Thoughts, corrections, and follow-up notes are welcome here.