O'Stolz定理

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O'Stolz定理是處理數列不定式極限的有力工具,一般用於*/∞型的極限(即分母趨於正無窮大的分式極限,分子趨不趨於無窮大無所謂)、0/0型極限(此時要求分子分母都以0為極限)。O'Stolz定理用於數列,它有函式形式的推廣,這兩個都可以認為是洛必達法則的離散版本。

定理簡介

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( 型) 設數列 、 滿足:① 嚴格單調遞增 ② ③ (其中 可以為有限實數、 、 )

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這個是較常用的版本

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( 型) 設數列 、 滿足:① 嚴格單調遞減且趨於零 ② ③ (其中 可以為有限實數、 、 )

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證明過程

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一、 型

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(當 為有限實數時)由 , , ,當 時, , 即

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(這裡可以把 乘到不等號另一邊是因為 嚴格單調遞增,所以 ,乘到不等號另一邊時不變號)

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又由 ,∴ ,當 時, (這裡是根據數列趨於正無窮大的定義),∴ (注一)

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取 ,當 時,從 到 對 式累加,有

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累加得

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同除 (還是因為 嚴格單調遞增, , , ),還注意到 ,因為 ,

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即 ,由 ,且 、 是常數,因為 是確定的下標!由極限的四則運算法則, (注二), ,同理 ,再由極限的四則運算法則, , [1]

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即 ,

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為了方便初學者,這裡解釋一下以上的跳步。注意以下的註裡出現的符號與上面證明的符號是分開的!比 如注一的 與證明里的 不同啊,初學者不要搞混

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注一:我們可以證明,若 ,則 ,

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證明:由 , , ,當 時, , ,∴ , ,當 時, ,即

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注二:由注一, ,可推出 ,相當於去掉了第一項,然而極限是趨於無窮的行為,有沒有這一點對極限毫無影響,後面的 也是如此,當然這一點是可以證明的,這裡略去。可以看[2]的第4題的證明過程。

還有倒數第二段那裡一堆的使用極限四則運算法則,嚴謹性是達到了,為了初學者能正確掌握,但是看起來很繁瑣,其實這段裡面的一些步驟在已經學了數學分析的同學眼裡是已知的,無須寫出來的。所以如果你要在正式場合寫該定理的證明,以上證明中的 "因為 "後面的解釋說明和倒數第二段的繁雜過程可以刪減,按你的意願做相應簡化即可。

一個例子

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例:求極限 (k為正整數)。

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解:令 ,

由O'Stolz定理

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= =

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註:

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