为什么一个数无数次开方后无限接近于1?

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
有了这道题的基础,我们就可以来回答题主的问题了。首先纠正一个错误,必须是正数开无穷次方极限才是1。


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。

看到各位网友都紧扣问题,回答了为什么,都非常精彩!我来晚了,为了避免重复,我从另外一个角度来回答一下为什么。

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😁😁😁😁😁😂😂😂😂