凌毅清
要说清楚这个问题,就首先要弄清楚极限是什么意思,在数学分析里面,我们给数列极限下了严格的定义
这就是数列极限的ε-N定义,利用它,我们可以很清楚的说明一些极限问题。比如我们知道1/n,当n无限大时极限是0,也就是说
利用上面的极限定义,我们就可以证明如下
数学救火队长
这个挺好证明的,不过要分两种情况讨论:
一、大于1的数无数次开方
讨论之前,我们先要明确2点。即一个大于1的数开方,其值会变小,但不会小于1。下面是证明:
因为, n(n-1)>0,
所以,n^2-n>0,
所以,n^2 > n
所以, n > √n
即一个大于1的数开方,其开方值会变小。
又因为n > 1,
所以,√n > 1。
即一个大于1的数,其开方值会大于1。
知道这两个结论,我们就很容易讨论一个大于1的数无限次开方的问题了。
因为这个大于1的数每次开方,其开方值都会变小。所以,随着开方次数的增多,这个开方值逐渐变小。如果开方次数无限多,那么它就无线变小。但由于开方值总大于1,所以无限次开方之后,其开方值只能够无限接近于1,但是却不能等于1。
证毕。
二、大于0小于1的数的无限次开方。
对于这样的数,其开方值会变大,大不会超过1。下面证明:
因为,n(n-1)<0
所以, n^2 < n,
所以n < √n,即这个数开方后,其值变大。
又因为n < 1,
所以√n < 1。即这个数的开方值,总小于1。
因此,对于一个小于1大于0的数来说,其每次开方,开方值都会变大。也就是说,对其无数次开方后,其值会无限增大,但却不能超过1。因此,无数次开方后只能够接近于1。
证毕。
三、结论
所以综上,对于一个非1的正数,其无限次开方后,开方值无限接近于1。
科学探秘频道
稍微修正一下问题,应该是:
为什么正数无数次开方后无限接近于1?
因为 0 的无数次开方 仍然是 0,而负数开方是虚数。
对任意实数 x(x≥0)的开方可以看成是一个分数幂的幂函数:
f(x) = √x = x¹ᐟ²
绘制成图形见图1中的绿色曲线。
考虑 f 定义域取 [1, +∞) 的部分。
我们可以找到两个函数 g(x) = 1 和 h(x) = (x+1)/2,使得 对于任意 x ∈ [1, +∞) 有:
g(x) ≤ f(x) ≤ h(x) ①
验证:
对于 任意 x ∈ [1, +∞), 因为 x ≥ 1 所有 √x ≥ √1 = 1,即 f(x) ≥ g(x)。
根据完全平方式,有
y² - 2y + 1 = (y - 1)² ≥ 0,
于是:
(y² + 1)/ 2 - y = (y² - 2y + 1) / 1 ≥ 0 / 2 = 0
令 y = √x 带入上面不等式得到:
(x + 1)/ 2 - √x ≥ 0
即, h(x) - f(x) ≥ 0,从而,h(x) ≥ f(x)。
其实,绘制成图,就一目了然了:
对于任意 x₀ ∈ [1, +∞) 无数次的开方,会得到如下序列:
f₁ = f(x₀) = √x₀, f₂ = f(f(x₀)) = √√x₀, f₃ = f(f(f(x₀))) = √√√x₀, ...
这相当于反复迭代调用 f,相应地,我们也可以得到 g 和 h 的反复迭代序列:
g₁ = g(x₀) = 1, g₂ = g(g(x₀)), g₃ = g(g(g(x₀))) = 1, ...
h₁ = h(x₀) = x₀/ 2 + 1/2, h₂ = h(h(x₀)) = x₀/2² + 1/2 + 1/2², h₃ = h(h(h(x₀))) = x₀/2³ + 1/2 + 1/2² + 1/2³, ...
显然 序列 {g₁, g₂, g₃, ...} 是一个恒 1 的常数序列,所以,当 i → ∞ (数学中,→ 表示“无限趋近于”的意思)时,有 gᵢ = 1,当然 gᵢ → 1;
而 序列 {h₁, h₂, h₃, ...} 的通项公式是:
hᵢ = x₀/2ⁱ + (1/2 + 1/2² + 1/2³ + ... + 1/2ⁱ)
括号内部分是一个a₁ = q = 1/2 的等比数列,根据 等比数列求和公式,有:
Sᵢ = a₁(1-qⁱ)/(1-q) = 1/2 (1-1/2ⁱ)/(1-1/2) = 1-1/2ⁱ
于是:
hᵢ = x₀/2ⁱ + 1 - 1/2ⁱ =1 + ( x₀ - 1)/2ⁱ
因为,当 i → ∞ 时,2ⁱ → ∞,而 (x₀ - 1) 是常数,所以 (x₀ - 1)/2ⁱ → 0,进而 hᵢ → 1。
综上,我们得到:
当 i → ∞ 时,有 gᵢ,hᵢ → 1,而根据不等式 ① 我们知道 gᵢ ≤ fᵢ ≤ hᵢ,于是根据 加逼定理,我们就得到:当 i → ∞ 时 fᵢ → 1。
问题在 [1, +∞) 的部分,得证。
考虑 f 定义域取 (0, 1] 的部分。
令 y = 1/x ,则有:
f(y) = √(1/x) = 1/√x = 1/f(x)
f(f(y)) = √(1/f(x)) = 1/√f(x) = 1/f(f(x))
...
而,对于 y₀ ∈ (0, 1],令 x₀ = 1/y₀,显然 x₀ ∈ [1, +∞) ,于是有:
f'₁ = 1/f₁, f₂' = 1/f₂, f₃' =1/f₃ , ...
上面已经证明了:当 i → ∞ 时 fᵢ → 1,而当 fᵢ → 1 时 1/fᵢ → 1,即 fᵢ' → 1。
问题在 (0, 1] 的部分,得证。
对于上面的 幂函数 f = √x,当 a = 1 时,我们发现:
f(a) = a,
数学上称这样的 a 为 关于 f 的不动点。
另外,再回到 f 定义域取 [1, +∞) 的部分,仔细观察,我们还会发现:
f'(x) = (√x)' = 1/(2√x);
h'(x) = ((x+1)/2)' = 1/2;
于是,当 x ≤ [1, +∞) 时,有:
f'(x) = 1/(2√x) ≤ 1/2 = h'(x)
即,f 变化率小于 h,于是有:
对于任意 x,y ∈ [1, +∞),有|f(x) - f(y)| ≤ |g(x) - g(y) |
而 |g(x) - g(y) | = |(x+1)/2 - (y+1)/2| = (1/2) |x - y|,我们令:
d(x, y) = |x - y| (注:函数 d 为 实数轴上两点 x, y 的距离,称为距离函数。)
α = 1/2
于是最终得到:
函数 f 对于任意 x,y ∈ [1, +∞),有 d(f(x), f(y)) ≤ α d(x, y) ②。
在数学上,如果 可以找到 一个 正实数 α > 0,使得 一个函数 f 可以满足不等式②,则称 f 是有界函数(也称 李普希茨映射),特别地,当 0 < α < 1 时,称 f 为 压缩映射(函数)。
将,上面两个发现,关联起来,我们可以大胆猜想:“压缩映射 一定具有 不动点”,这就引出来著名的 压缩映射原理(也称 Banach 不动点定理):
设 连续映射 f 是 完备距离空间 (X, d) 中的 一个压缩映射,则 存在 唯一 a ∈ X 是 关于 f 的 不动点。
什么是 距离空间 ?
通俗的来说,可以测量距离的空间;准确来说,距离空间就是定义了 距离函数 d 的 线性空间,实数轴 R 就是 一个线性空间,再加上上面 d 的定义,于是 (R, d) 就是一个距离空间。
什么是 完备的?
通俗来说,就是没有漏洞;准确来说,就是 空间中 所有 柯西列 都是 收敛列。
再进一步,取 任意 x₀ ∈ X,则 序列 {xᵢ }:
x₁ = f(x₀),xᵢ = f(xᵢ₋₁)
必然,收敛于 a。
问题中,就是压缩映射原理,对于函数 f = √x 在距离空间 ([1, +∞), d) 中的应用。所以,虽然题主的问题貌似简单,其本质却是《泛函分析》 中的一个深刻定理。
最后,附上压缩映射原理的证明:
序列 {xᵢ } 满足:
d(xᵢ₊₁, xᵢ) = d(f(xᵢ), f(xᵢ₋₁)) ≤ α d(xᵢ, xᵢ₋₁) = α d(f(xᵢ₋₁), f(xᵢ₋₂)) ≤ α² d(xᵢ₋₁, xᵢ₋₂) = ... ≤ αⁱ d(x₁, x₀)
另外,根据 距离函数 的三角不等式性质,对于 任意 自然数 u 有:
d(xᵢ₊ᵤ, xᵢ) ≤ d(xᵢ₊₁, xᵢ) + d(xᵢ₊₂, xᵢ₊₁) + ... + d(xᵢ₊ᵤ, xᵢ₊ᵤ₋₁)
将上面结合起来,有:
d(xᵢ₊ᵤ, xᵢ) ≤ αⁱ d(x₁, x₀) + αⁱ⁺¹ d(x₁, x₀) + ... + αⁱ⁺ᵘ⁻¹ d(x₁, x₀) = [αⁱ /(1 - α)] d(x₁, x₀)
当 i → ∞ , d(x₁, x₀) 和 (1 - α) 是常数,而 由于 0 < α < 1 因此 αⁱ → 0 ,进而 d(xᵢ₊ᵤ, xᵢ) → 0。
这就证明了 {xᵢ } 是柯西列,由于 X 是完备的,所有 {xᵢ } 必然收敛,设,这个极限是 a。
对于等式 f(xᵢ) = xᵢ₊₁ 两边取极限,得到:
lim_{i → ∞} f(xᵢ) = lim_{i → ∞} xᵢ₊₁ = a
而 f 是连续的,因此有:
lim_{i → ∞} f(xᵢ) = f(lim_{i → ∞}xᵢ ) = f(a)
于是,得到:
f(a) = a
这就证明了 a 是关于 f 的一个不动点。
下面证明 a 唯一。
设,a' 是 关于 f 的另一个不动点,则:
d(a, a') = d(f(a), f(a')) ≤ α d(a, a')
由于 0 < α < 1 ,要让上面的不等式成立,则必须:
d(a, a') = 0
这就说明 a 和 a' 之间的距离为 0,即, a = a'。
缩映射原理得证。
(关于,压缩映射原理的证明可能需要一些的基础铺垫才能看懂,关于这些铺垫有兴趣的网友可以参考《泛函分析》,这里就是不复述了。)
关于不动点,还有另外一个著名的 Brouwer 不动点定理:
设 D ∈ Rⁿ ,D 是 非空的,紧致的,凸集,则 任何 连续映射 f: D → D ,必然在 D 中存在 不动点(不一定唯一)。
一个 n 维闭实心球就是 典型的 非空紧致凸集;
一个 n 维球面也是,比如:我们的地球表面,于是就有了:
将任意一张世界地图揉成团,扔在地上,则 地图和地面的接触点,确定了 一个连续映射 f,进而 必然存在 地球上一个点 在 f 下不动。
(其实,题主的这个问题还能引出:李普希茨条件(甚至 赫尔德条件) 它对于确定解微分有唯一解,非常重要,但这就是扯远了,这里打住。)
(由于本人数学水平有限,出错在所难免,非常欢迎各位同学和老师批评指正。)
补充:
开始那个证明是为了引出 不动点定理才写的复杂。其实可以直接证明如下:
函数 f=√x (x > 0) 的迭代序列为:
f₁ = √x = x^{1/2},
f₂ = √√x = (x^{1/2})^{1/2}= x^{1/2²}
f₃ = √√√x = ((x^{1/2})^{1/2})^{1/2} = x^{1/2³}
...
其通项公式为:
fᵢ =x^{1/2ⁱ}
当 i → ∞时,有 1/2ⁱ→0,进而 fᵢ → x⁰=1。
得证。
思考思考的动物
谁告诉你的?0的多少次方都是0,1呢?偶次方根和奇次方根呢?
郭保庄之古今斋
幂指数极限问题
设这个数为x, 条件:x > 0
证明:非零正数的零次方 ➡️ 接近于1
非零正数位于根号下
根号上⬆️ 开方指数 ➡️ ∞
每一次开方,导致:指数数值 ⬇️ 降低
当:开方∞次 即:指数被除∞次
那么:根号上指数会无限➡️趋近于 0
导致:非0正数 ➡️接近于 0次方
所以:一个非零正数的无穷次开方
♾ 接近于 1
骑着巴马遛安培
给你一个最浅显易懂的答案吧
开方就是二分之一次方 开两次就是四分之一次方 开n比方就是1/2n次方 随着n的增大 越来越接近于0次方 也就是1 如果说开无限次方我认为你的问题所说的有误 不是接近1 而是就是1
喵搞哦
设a为一个正数,X=a^(1/2)^n,(n=1,2,3……),当n=∞时,就相当于对a进行了无数次开方,由极限可知当n=∞时,(1/2)^n=0,所X=a^0=0,
阿姆河之春
1)首先要限定正数,a > 0
2)原命题为a开∞次方,收敛于1
3)命题等价于n->∞,(1/n)lg(a)->lg(1)=0
显然,n->∞时(1/n)->0,上式成立。
潘飞panfee
限在正实数范围内讨论。一个大于1的数不断开方逼近于1,因为1是最小的自然数。小于1的正数不断乘方逼近于0,因此小于1的正数不断开方也逼近于1。从数轴上看就是,在不断开方的运算中,大于1的数从右方逼进于1,小于1的正数从左方逼进于1。
王祖荫1
🍎无限的去切,在你不偷吃的情况下,刀上总会留些果汁,切的越多留的越多,但是刀上绝对不会留下整个🍎,还是直接吃吧,省事不浪费,别乱想!闹心😁😁😁😁😁😂😂😂😂