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note-math

sequence-real_(tag) 实数列 := ℕ→ℝ. 通常记为 𝑎𝑛. 根据情况, 设置从 0 开始或从 1 开始

limit-sequence-real_(tag) 数列 𝑎𝑛 极限

lim 𝑛→∞𝑎𝑛=𝑎≔∀𝜀>0,∃𝑁∈ℕ,∀𝑛∈ℕ,|𝑎𝑛−𝑎|<𝜀

极限的运算

  • lim 𝑛→∞(𝑎𝑛+𝑏𝑛)= lim 𝑛→∞𝑎𝑛+ lim 𝑛→∞𝑏𝑛
  • lim 𝑛→∞𝑎𝑛⋅𝑏𝑛= lim 𝑛→∞𝑎𝑛⋅ lim 𝑛→∞𝑏𝑛

rational-dense-in-real_(tag) ℚ 在 ℝ 的稠密性. ∀𝑥,𝑦∈ℝ,∃𝑚𝑛∈ℚ,𝑥<𝑚𝑛<𝑦

Proof

𝑥<𝑦 #link(<order-real>)[等价于]

ℚ<𝑥⊊ℚ<𝑦ℚ>𝑥⊋ℚ>𝑦

精确到最多差一点之下, 有

ℚ≈ℚ<𝑥⊔ℚ>𝑥≈ℚ<𝑦⊔ℚ>𝑦

so ℚ>𝑥∩ℚ<𝑦≠∅

==> ∀𝜀>0,∃𝑚𝑛∈ℚ,0<𝑚𝑛<𝜀

==>

  • lim 𝑛→∞𝑚𝑛=0

  • ∀𝜀>0,∀𝑚∈ℕ,∃𝑛∈ℕ,𝑛𝜀>𝑚 or lim 𝑛→∞𝑛𝜀=∞

𝑎>1⟹ lim 𝑛→∞𝑎𝑛=∞

Proof 𝑥>0⟹(1+𝑥)𝑛=1+𝑛𝑥+⋯>1+𝑛𝑥 and lim 𝑛→∞𝑛𝑥=∞

==> 0<𝑎<1⟹ lim 𝑛→∞𝑎𝑛=0

geometric-series_(tag) 几何级数 𝑥𝑛=1+𝑎+𝑎2+⋯+𝑎𝑛. 0<𝑎<1⟹ lim 𝑛→∞𝑥𝑛=11−𝑎

Proof (1−𝑎)(1+𝑎+𝑎2+⋯+𝑎𝑛)=1−𝑎𝑛+1, 𝑥𝑛=1−𝑎𝑛+11−𝑎

geometric-series-test_(tag) 几何级数收敛判别. let 𝑎𝑛>0. 𝑎𝑛+1𝑎𝑛<𝑞<1⟹ lim 𝑛→∞𝑎𝑛=0

Proof 𝑎𝑛=𝑎𝑛𝑎𝑛−1⋯𝑎0𝑎1𝑎0⋯<𝑞𝑛𝑎0

exponential-vs-power_(tag) 指数增长快于幂. 𝑎>1,𝑝∈ℕ⟹ lim 𝑛→∞𝑛𝑝𝑎𝑛=0

Proof define 𝑏𝑛=𝑛𝑝𝑎𝑛

use 几何级数收敛判别 𝑏𝑛+1𝑏𝑛=(𝑛+1𝑛)𝑝1𝑎⟶𝑛→∞1𝑎<1

exponential-root-of-power-function_(tag) lim 𝑛→∞𝑛1𝑛=1

Proof

∀𝑎>1, lim 𝑛→∞𝑛𝑎𝑛=0∃𝑁∈ℕ,∀𝑛>𝑁,𝑛<𝑎𝑛1≤𝑛1𝑛<𝑎

==> 𝑎>0⟹ lim 𝑛→∞𝑎1𝑛=1

Proof

𝑎>1 时 by lim 𝑛→∞𝑎1𝑛< lim 𝑛→∞𝑛1𝑛

𝑎<1 时用 1𝑎>1

factorial-vs-exponential_(tag) 阶乘增长快于指数. 𝑎∈ℝ⟹ lim 𝑛→∞𝑎𝑛𝑛!=0

Proof define 𝑏𝑛=𝑎𝑛𝑛!. use 几何级数收敛判别 𝑏𝑛+1𝑏𝑛=𝑎𝑛→0<1

𝑛! 对应 {1,…,𝑛} 自双射数量, 𝑛𝑛 对应 {1,…,𝑛} 自映射数量. 𝑛𝑛𝑛 等类似

iterated-power-vs-factorial_(tag) lim 𝑛→∞𝑛!𝑛𝑛=0

Proof define 𝑏𝑛=⋯. use 几何级数收敛判别 𝑏𝑛+1𝑏𝑛=(𝑛𝑛+1)𝑛→1𝑒<1

增长速度比较, 实数版本

  • 𝑎>1,𝑝∈ℝ>0⟹ lim 𝑥→+∞𝑥𝑝𝑎𝑥=0

  • 𝑎∈ℝ⟹ lim 𝑥→+∞𝑎𝑥𝑥!=0 with 𝑥!=Γ(𝑥+1)

  • lim 𝑥→+∞𝑥!𝑥𝑥=0

mean-inequality_(tag) 均值不等式 alias AM-GM-inequality_(tag)

∏𝑖=1..𝑛𝑎𝑖≤(1𝑛∑𝑖=1..𝑛𝑎𝑖)𝑛

≤ 取得 = <==> 𝑎1=⋯=𝑎𝑛=1𝑛∑𝑖=1..𝑛𝑎𝑖

无量纲

Proof

<==> ∏𝑖=1..𝑛(𝑎𝑖)1𝑛≤1𝑛∑𝑖=1..𝑛𝑎𝑖

<==> ∏𝑖=1..𝑛𝑎𝑖≤1𝑛∑𝑖=1..𝑛(𝑎𝑖)𝑛

用微分方法计算最值. 考虑函数

(𝑎1)+⋯+(𝑎𝑛)𝑛−𝑛𝑎1⋯𝑎𝑛

一阶微分

∂𝑖=𝑛(𝑎𝑖𝑛−1−𝑎1⋯𝑎𝑛∖𝑎𝑖)

一阶微分等于零, 解方程得到

∂1=⋯=∂𝑛=0⟹𝑎1=⋯=𝑎𝑛

二阶微分

∂𝑖∂𝑖=𝑛(𝑛−1)𝑎𝑖𝑛−2∂𝑖∂𝑗=−𝑛𝑎1⋯𝑎𝑛∖𝑎𝑖𝑎𝑗

判断二次型 ∂𝑖∂𝑗 的正定性

𝑛 乘法因子可以提取出来

都是 𝑎1,…,𝑎𝑛 的 𝑛−2 阶项多项式, 且一阶微分零使得 𝑎1=⋯=𝑎𝑛 所以对于判断正定性来说只需考虑 𝑎1=⋯=𝑎𝑛=1, 二次型

(∂1∂1⋯∂1∂𝑛⋮⋱⋮∂𝑛∂1⋯∂𝑛∂𝑛)=(𝑛−1−1⋯−1−1𝑛−1⋯−1⋮⋮⋱⋮−1−1⋯𝑛−1)(𝑏1⋮𝑏𝑛)⊺(𝑛−1−1⋯−1−1𝑛−1⋯−1⋮⋮⋱⋮−1−1⋯𝑛−1)(𝑏1⋮𝑏𝑛)=(𝑛−1)(𝑏12+⋯+𝑏𝑛2)−2∑𝑖<𝑗𝑏𝑖𝑏𝑗=∑𝑖<𝑗(𝑏𝑖2+𝑏𝑗2)−2∑𝑖<𝑗𝑏𝑖𝑏𝑗=∑𝑖<𝑗(𝑏𝑖−𝑏𝑗)2

所以 𝑎1=⋯=𝑎𝑛 处一阶微分零 and 二阶微分正定, 函数在附近不会变小, 所以那里是最小值, 且是 0

best-multiplication-decomposition_(tag) 最优乘法分解

forall 𝑛 固定 𝑎=∑𝑖=1..𝑛𝑎𝑖∈ℝ

question: which 𝑛 使得 ∏𝑖=1..𝑛𝑎𝑖 取最大?

对每个 𝑛∈ℕ, 根据均值不等式, 应该用加法等分 𝑎𝑛 取得 ∏𝑖=1..𝑛𝑎𝑖 最大

等分次数 𝑛 取什么时, (𝑎𝑛)𝑛 有最大值?

𝑔:𝑛⇝(𝑛+1)𝑛+1𝑛𝑛 单调递增

Proof 𝑔(𝑛+1)𝑔(𝑛)>1

函数 𝑓:𝑛⇝(𝑎𝑛)𝑛

  • 在 𝑛∈ℕ:(𝑛+1)𝑛+1𝑛𝑛≤𝑎 时递增

  • 在 𝑛∈ℕ:(𝑛+1)𝑛+1𝑛𝑛≥𝑎 时递减

所以 (𝑎𝑛)𝑛 在 𝑛:(𝑛+1)𝑛+1𝑛𝑛=𝑎 附近取最大

Proof of 𝑓 单调性质

𝑓(𝑛+1)𝑓(𝑛)=𝑎⋅(𝑛+1)𝑛+1𝑛𝑛𝑓(𝑛+1)≥𝑓(𝑛)⟺𝑓(𝑛+1)𝑓(𝑛)≥1⟺𝑎≥(𝑛+1)𝑛+1𝑛𝑛

Example 𝑔(𝑛)≥𝑔(1)=4. 所以 𝑎≤4 时, 1 等分是最佳

(𝑛+1)𝑛+1𝑛𝑛∼𝑒⋅(𝑛+1) i.e. lim 𝑛→∞(𝑛+1)𝑛+1𝑛𝑛𝑛+1= lim 𝑛→∞(𝑛+1𝑛)𝑛=𝑒

natural-constant_(tag) 自然常数 𝑒

𝑒= lim 𝑛→∞(𝑛+1𝑛)𝑛=∑𝑛=0∞1𝑛!

Proof

二项式展开

(1+1𝑛)𝑛=1+(𝑛1)1𝑛+(𝑛2)1𝑛2+⋯+(𝑛𝑛)1𝑛𝑛

固定 𝑘 时, 有

lim 𝑛→∞(𝑛𝑘)1𝑛𝑘= lim 𝑛→∞1𝑘!𝑛⋅(𝑛−1)⋯(𝑛−𝑘+1)𝑛𝑘=1𝑘!

对每个 𝑘∈ℕ

lim 𝑛→∞(1+1𝑛)𝑛≥10!+11!+⋯+1𝑘! lim 𝑛→∞(1+1𝑛)𝑛≥lim 𝑘→∞10!+11!+⋯+1𝑘!

also

(1+1𝑛)𝑛<10!+11!+⋯+1𝑛!

by (𝑛𝑘)1𝑛𝑘=1𝑘!𝑛⋅(𝑛−1)⋯(𝑛−𝑘+1)𝑛𝑘<1𝑘!

所以 lim 𝑛→∞(1+1𝑛)𝑛= lim 𝑛→∞10!+11!+⋯+1𝑛!=∑𝑛=0∞1𝑛!

∑𝑛=0∞1𝑛! 收敛. 𝑎>1, lim 𝑛→∞𝑎𝑛𝑛!=0 ==> 在尾部 1𝑛!<1𝑎𝑛 几何级数控制

iterated-power-vs-factorial-more_(tag) 阶乘与叠幂的增长速度比较 𝑒𝑛∼𝑛𝑛𝑛! or 𝑒= lim 𝑛→∞𝑛(𝑛!)1𝑛

so 𝑛!1𝑛∼1𝑒⋅𝑛, so lim 𝑛→∞𝑛!1𝑛=∞

Proof of 𝑒= lim 𝑛→∞𝑛(𝑛!)1𝑛

def 𝑓(𝑛)=𝑛𝑛𝑛!

𝑓(𝑛+1)𝑓(𝑛)=(𝑛+1𝑛)𝑛→𝑒𝑓(𝑛)=𝑓(𝑛)𝑓(𝑛−1)⋯𝑓(2)𝑓(1)𝑓(1)𝑓(1)=1

def 𝑎𝑛=𝑓(𝑛+1)𝑓(𝑛)=(𝑛+1𝑛)𝑛

𝑛𝑛!1𝑛=(𝑎1⋯𝑎𝑛−1)1𝑛=(𝑎1⋯𝑎𝑛)1𝑛⋅1(𝑎𝑛)1𝑛=(𝑎1⋯𝑎𝑛)1𝑛𝑛𝑛+1

sequence-multiplication-mean-limit_(tag) 乘法平均不改变极限

(𝑎𝑛>0)∧(lim 𝑛→∞𝑎𝑛=𝑎)⟹ lim 𝑛→∞(𝑎1⋯𝑎𝑛)1𝑛=𝑎

Proof

∀𝜀≥0,∃𝑁∈ℕ,∀𝑛>𝑁,𝑎−𝜀≤𝑎𝑛≤𝑎+𝜀

𝑎1⋯𝑎𝑛=(𝑎1⋯𝑎𝑁)⋅(𝑎𝑁+1⋯𝑎𝑛)

(𝑎1⋯𝑎𝑁)1𝑛(𝑎−𝜀)1−𝑁𝑛≤(𝑎1⋯𝑎𝑛)1𝑛≤(𝑎1⋯𝑎𝑁)1𝑛(𝑎+𝜀)1−𝑁𝑛

lim 𝑛→∞(𝑎1⋯𝑎𝑁)1𝑛=1

lim 𝑛→∞1−𝑁𝑛=1

sequence-addition-mean-limit_(tag) 加法平均 lim 𝑛→∞𝑎𝑛=𝑎⟹ lim 𝑛→∞1𝑛(𝑎1+⋯+𝑎𝑛)=𝑎

harmonic-series-diverge_(tag) 调和级数发散 lim 𝑛→∞1+12+⋯+1𝑛=+∞

Proof 𝑎𝑛=1+12+⋯+1𝑛 发散 by 它不是 #link(<Cauchy-completeness-real>)[limit-distance-vanish]. e.g.

∀𝑛∈ℕ,𝑎2𝑛−𝑎𝑛=1𝑛+1+⋯+12𝑛≥𝑛⋅12𝑛=12

Euler-constant_(tag) lim 𝑛→∞1+12+⋯+1𝑛− log 𝑛=𝛾 收敛 as 加法渐进. lim 𝑛→∞exp(1+12+⋯+1𝑛)𝑛=𝑒𝛾 as 乘法渐进

Proof

let 𝑎𝑛=1+12+⋯+1𝑛− log 𝑛

log 𝑛= log 𝑛𝑛−1⋯21⋅1=log(𝑛𝑛−1)+⋯+log(21)+log(1)

积分估计

1𝑛<∫𝑛−1𝑛1𝑥=log(𝑛𝑛−1)<1𝑛−1

𝑎𝑛 有界

12+⋯+1𝑛>log(𝑛)>1+⋯+1𝑛−1−(12+⋯+1𝑛)>− log 𝑛>−(1+⋯+1𝑛−1)1>1+12+⋯+1𝑛− log 𝑛>1𝑛

𝑎𝑛 单调减

𝑎𝑛+1−𝑎𝑛=1𝑛+1−log(𝑛+1𝑛)<1𝑛+1−1𝑛+1=0