无限主张需要超出有限轨迹的证据
下降的数值表能提示极限,却不能规定全部未来项;图像能遗漏很窄的特征;迭代能因人为缩小步长或浮点舍入而停止变化。数学收敛是关于整个过程尾部的量化主张,数值停止则是依据明确误差标准作出的有限决策。
本课证明数列和函数极限,构造 ε–δ 见证,按定义域假设使用连续性定理,分析无限级数,最后将严格迭代证明与残差停止规则联系起来。
检索检查:回忆模块 01的绝对值不等式、有限和与实函数定义域,以及模块 04的量词顺序、证明和反例。不假设已经学习微积分;实验仅用 Python 标准库,包括需要精确区别时的 Fraction 分数。
数列收敛与实线完备性
实数列是由正整数索引到实数的函数,记 a₁,a₂,…。a_n→L 的定义是:对每个 ε>0,存在整数 N,使每个 n≥N 都满足 |a_n−L|<ε。顺序不可交换:先接受任意精度,再选择可依赖精度的尾部阈值,最后控制所有较晚项。不要求单调、不要求恰好达到极限,也不要求同一个 N 对所有精度有效。
对 a_n=1/n,给定 ε>0,选 N=⌊1/ε⌋+1。由于 N>1/ε,每个 n≥N 都有0<1/n≤1/N<ε,所以极限为零。数列从不等于零;某一项很小不是证明,覆盖全部后续项的不等式才是证明。
极限唯一。若 L、M 都是极限且距离 D=|L−M|>0,取 ε=D/3 并超过两个尾部阈值,三角不等式给 D≤|L−a_n|+|a_n−M|<2D/3,矛盾。收敛数列也必有界:尾部距离 L 小于一,有限前缀的绝对值有有限最大值,合并两个界即可。反过来不成立:(−1)^n 始终在−1与1之间,却有偶数子列恒为1、奇数子列恒为−1,不可能趋向同一极限。
有界指某个有限 B 控制所有 |a_n|。无界不等于趋向正无穷。后者要求每个实阈值 M 都最终被所有后续项超过。偶数项为 n、奇数项为零的数列无界,却既不趋向正无穷也无有限极限。负无穷对应反向不等式。发散可以振荡,也可以无界;“发散”并不自动意味着单调无限增长。
单调不减且上有界的实数列收敛。实数完备性保证每个非空上有界实数集合有最小上界,称上确界。令 L 为数列值的上确界。任意 ε>0 下,L−ε 不是上界,所以存在 a_N>L−ε;单调性保证对 n≥N 有 L−ε<a_N≤a_n≤L,得到收敛。对单调不增、下有界数列取负号即可。没有界,单调仍可无限增长;没有单调,有界仍可振荡。
有理数列可以趋向无理实数,因此“所有项都能写成有理数”不要求实数极限也是有理数。有限精度机器数又是不同的集合。将过程舍入到其中一个值是计算约定,不会改变实数极限的定义。
柯西数列要求尾部自身任意两项最终接近:每个 ε>0 下存在 N,使 i,j≥N 时 |a_i−a_j|<ε。收敛蕴含柯西,只需分别将到极限的距离控制在 ε/2。实数柯西数列也收敛:先由尾部项之间距离小于一及有限前缀证明有界。令 l_n、u_n 为从 n 开始尾部的下确界与上确界;完备性保证它们存在。l_n 单调增加、u_n 单调减少且都有界,所以都收敛。柯西条件使尾部宽度 u_n−l_n 最终不大于任意 ε,故两者极限相同。由 l_n≤a_n≤u_n 夹逼,原数列也趋向该极限。这提供后面迭代存在性证明所需事实。
倒数数列的全部尾项最终进入 ε 带;有界交替数列反复返回两个分离的值。
a_n→0 是否要求某项恰等于零?一百项前缀能否决定收敛?单调性还需要什么条件?
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不要求精确等于零。同一前缀可以接趋零、常数二或交替尾部,产生不同结果。单调不减需要上界,单调不增需要下界,才能用单调收敛定理。
函数极限、单侧行为与有条件代数
f(x) 在 x→a 时的极限关注定义域内接近 a 但 x≠a 的值。定义域必须包含任意接近 a 的其他点,否则本意的去心极限条件可能空洞成立。正式定义:每个 ε>0 下存在 δ>0,使所有满足0<|x−a|<δ的定义域点都有 |f(x)−L|<ε。去心条件不检查 f(a),所以它可未定义或取其他值;连续性还要检查实际值等于极限。
左、右极限分别限制 x<a、x>a,并使用相应侧可用的定义域点。如果两侧附近都有定义域点,则有限双侧极限存在当且仅当两侧极限存在且相同。边界点可以有定义域相对的单侧极限,不需要虚构域外值。应明确自己讨论实线双侧主张还是相对定义域的主张。
f(x)=(x²−1)/(x−1) 只在 x≠1 定义。因式分解给出该去心域上 f(x)=x+1,所以 x→1 的极限是二。原函数 f(1) 仍未定义。另定义 g(1)=2 可得到连续延拓;定义为七则保留同一去心极限却不连续。代数约分不会追溯加入原定义域没有的点。
阈值 H(x) 在 x<0 时为零、x≥0 时为一,零处左极限为零、右极限为一,双侧极限不存在。修改 H(0) 不能修复跳跃。1/x 在零处左趋负无穷、右趋正无穷,没有共同有限或同号无穷双侧极限。无穷极限意味着每个幅度阈值最终按指定方向被超过,不代表把无穷当普通实数函数值返回。
无穷远极限关注大输入:x→+∞ 时 f(x)→L,是每个 ε>0 下存在 M,使所有定义域内 x>M 满足 |f(x)−L|<ε。对1/x,选 M>1/ε 可证明趋零。与数列论证相似,却覆盖所有足够大输入,不只正整数。在整数上的采样趋势不能规定整数之间的行为。
极限代数要求各组成极限存在于共享邻近定义域。若 f→L、g→M,则和趋 L+M、积趋 LM。和的证明给两项各分配 ε/2。积写成 fg−LM=f(g−M)+M(f−L);先限制 |f−L|<1 得 |f|≤|L|+1,再将两个误差压小以控制两项。这个局部界处理了 f 仍随输入变化的问题。差和固定标量倍数类似。
商规则要求 M≠0,并缩小邻域保证 g 非零。|g−M|<|M|/2 给出 |g|>|M|/2,于是 |1/g−1/M|=|g−M|/(|g||M|) 可被控制,再使用乘积规则。分母极限为零不是允许直接相除;0/0 形式需要进一步分析,不同函数能产生不同结果。
夹逼原理来自不等式:若上下函数都趋 L 并最终夹住 f,它们的 ε 界也夹住 f。数列同理。例如任意选择的有界正弦因子满足 |sin x|/n≤1/n;振荡幅度收缩就能证明趋零,无需追踪相位。
若两个趋 a 的定义域数列产生不同函数值极限,即可否定函数极限;有效函数极限会强迫所有这种数列进入同一 ε 带。逆向判据也成立:若 ε–δ 条件失败,可对每个 n 选择距离 a 小于1/n的违反点,构造反例数列。这准确联系数列与函数极限;检验少数接近路径仍不能证明全称主张。
f(a)=L 是否证明了极限?约分是否让原商在消去点有定义?商规则为何排除分母极限零?
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单点值不规定全部邻近值;约分只在除数非零处有效,延拓是另一个定义。非零分母极限提供统一邻近下界,零极限没有该保障。
ε–δ 见证与证明顺序
ε 是请求的输出精度,δ 是足够的输入邻域。接受任意正 ε,选择可依赖它与固定常数的 δ,再证明每个合格 x 都满足结论。δ 不能依赖后面挑选的有利 x。对某一精度给一个 δ 只证明该条件;极限需要对所有正精度的规则。
f(x)=3x+1,在 a=2 的候选极限为七。任给 ε>0,选 δ=ε/3。每个0<|x−2|<δ都给 |f(x)−7|=3|x−2|<3δ=ε。这已经包含全部量词。更小正 δ 也可以;要找充分邻域,不必找最大邻域。
对 x²→4,|x²−4|=|x−2||x+2|。先要求 |x−2|<1,将 x 限在一与三之间,得到 |x+2|<5,再选 δ=min(1,ε/5)。每个合格点的输出误差小于5δ≤ε。取最小值同时保留局部因子界和精度条件。直接猜 δ=ε 却不控制另一个因子,并不是完整证明。
量词顺序也解释为何跳跃不能靠仅缩小一侧窗口修复。对零处阈值取 ε=1/3。零与一不可能同时距某 L 小于1/3,否则二者距离一会小于2/3。每个 δ 邻域都有负、正点,所以至少有一个违反。否定结构是先给一种精度,再对每个邻域找坏点。
仅修改 f(a) 不改变去心条件覆盖的点,因此可以保留极限;修改任意接近 a 的邻近点则可能改变或破坏极限。证明需标明全称蕴含覆盖的输入,尤其是正实域或趋近边界的离散域。
在 a≠0 附近,要求 |x−a|<|a|/2,则 |x|>|a|/2,进而 |1/x−1/a|<2|x−a|/|a|²。选 δ=min(|a|/2,ε|a|²/2) 证明倒数极限。“先限制麻烦因子,再分配误差预算”的结构会继续用于连续、导数与数值误差。
交互图只能显示有限点,不能代替全邻域证明。线性、平方情形显示控制整个窗口的代数界。充分界可保守,超过它不自动证明极限不存在,甚至不自动证明当前窗口失败;失败需要具体见证或另一个精确最大值分析。先区分充分与必要条件,再解释数值状态。
δ=min(1,ε/5) 为何合法?保守充分界未通过,是否足以证明 ε 蕴含失败?
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每个窗口点同时满足因子界和精度要求,δ 只依赖 ε 与固定常数。保守界不能覆盖较大窗口,表示该论证尚未认证它,不表示已经找到违反点。
4. 连续性与需要它的定理
在定义域点 a 连续,指每个 ε>0 下存在 δ>0,使所有满足 |x−a|<δ 的定义域点都有 |f(x)−f(a)|<ε,包括 a 自身。在聚点上等价于去心极限存在且等于实际值;在孤立域点上选不含其他点的邻域即自动连续,但不会制造有意义的去心极限。区间端点的连续性相对于可用单侧域。
复合连续需要兼容定义域。设 f 在 a 连续、f(a)=b,g 在 b 连续,f 将相关邻域映入 g 的定义域。任给输出 ε,g 的连续性给 b 附近容差 η>0;f 的连续性给 δ,保证 |x−a|<δ 时 |f(x)−b|<η,再应用 g 条件得到 |g(f(x))−g(b)|<ε。这里允许 f(x)=b。如果只知道 g 的去心极限、却在 b 赋另一个值,内函数恰取 b 时该论证会失效。定义域与实际点值都不可省略。
极限代数说明连续函数的和、积仍连续,商在分母非零处连续。多项式因此在全实线连续,有理函数在其定义域连续。分段定义需要单独检查连接处,不能因每个开片段公式连续就认为整体连续。可去值错配、跳跃、无界奇点、有界振荡是不同失败机制。
在 x≠1 定义 g(x)=(x²−1)/(x−1)。赋 g(1)=2 后连续,赋七则极限仍为二但不连续。h 在 x<0 为零、x≥0 为一,其两侧极限不同,没有任何 h(0) 赋值能使之连续。修复一个孤立值能处理第一类,不能处理第二类。
空洞与跳跃分别展示实际点值和双侧邻近行为的区别。
介值定理:若 f 在闭实区间[a,b]连续,f(a)与f(b)之间的每个值都会在区间某点取得。求根时,连续加异号端点足够。可用二分证明:端点或中点若为根即结束,否则保留仍有异号端点的半区间。嵌套闭区间长度为(b−a)/2ⁿ趋零;左端递增、右端递减,由完备性趋共同 c,且 c 留在每个区间。连续性使两端函数值都趋 f(c),它们分别位于零两侧,故 f(c)=0。证明存在,未证明唯一;可能多次过零。
不能省连续性:h(x)−1/2 在零两侧变号,却只取−1/2、1/2,没有根。讨论取得最值还需要端点条件:f(x)=x 在(0,1)逼近上下界却都不取得。最值定理说非空闭有界实区间上的连续实函数取得最大、最小值,比仅有界更强。1/x 在(0,1]相对连续却无界,因为可接近被排除的零端点。
最值定理的机制如下。闭有界区间内每个数列有收敛子列且极限仍在区间:重复二分,保留含无穷多项的半区间,再按递增索引从嵌套区间选项。如果连续 f 无界,可选 |f(x_n)|>n;收敛子列及连续性却迫使输出趋有限 f(c),矛盾。有界后令 M 为输出上确界,选 f(x_n)>M−1/n;收敛子列趋 c,则 f(c)=M。对−f做同样论证得最小值。选择过程容许有限早期例外;递增索引仍使误差趋零。
在有限维实空间逐坐标选子列,同样得到闭有界集合的紧致性论证。因此模块13单位球面上的连续二次能量确实取得最大值:闭性使极限仍在球面,有界性提供子列,连续性传递输出。无穷维空间不能直接照搬,因为这里依赖有限坐标数。
下一课定义的导数是差商的有限极限。差商趋 D 就在附近有界,f(a+h)−f(a)=h乘差商趋零,因此可导必连续。逆命题失败:|x|在零连续,左右差商却为−1与一。AI绝对误差、最大值和阈值决策需要明确所用论证究竟要求哪种正则性。
不连续时变号是否保证根?开有界区间上的连续函数是否保证取得最大值?复合证明为何允许内值等于 b?
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跳跃减半否定第一项,(0,1)上f(x)=x否定第二项。连续性控制 g 在 b 本身,去心极限恰不覆盖内值等于 b 的情况。
5. 无限级数是部分和的极限
Σa_k 通过有限部分和定义,并非让计算机循环“加无穷次”。从 k=0 开始,S_N=Σ_{k=0}^{N−1}a_k,N表示项数。S_N→S 时级数收敛到 S。项数列与部分和数列不同。若部分和收敛,则差 a_N=S_{N+1}−S_N→0;所以项趋零必要,但调和级数证明它不充分。判别法需控制部分和,不能只观察近期项很小。
对 a_k=Cq^k、q≠1,将有限和乘 q 再相减,得 S_N=C(1−q^N)/(1−q)。|q|<1 时 q^N→0,和为 C/(1−q)。遗漏尾项为 Cq^N/(1−q),绝对值≤|C||q|^N/(1−|q|)。负 q 时精确分母|1−q|可更紧,所示界统一覆盖两种符号。若 C≠0、|q|≥1,项不趋零,级数发散;C=0是例外,无论 q 如何所有项都为零。保留边界条件,避免将模式错误地推广为全称断言。
对1+1/2+1/4+…,N=10表示指数零到九。部分和2(1−2⁻¹⁰)=1023/512,精确尾项2⁻⁹=1/512。要严格小于1/1000,需2^{1−N}<1/1000,故 N=11足够、N=10不够。“到第十项”若不说明从零还是一索引,会改变精度主张。
几何部分和从下方趋二;遗漏尾部由精确公式而非视觉估计决定。
调和项1/n趋零,但从 n=2^{j−1}+1 到2^j的块有2^{j−1}项,每项≥1/2^j,每块贡献≥1/2。任意多完整块后的部分和至少增长块数的一半,因而无界,不会收敛到有限数。证明给任意远部分和的下界;有限截图不能替代该量词。
非负项的部分和递增,模块本课第1节的单调收敛结论说明其收敛当且仅当上有界。因此得到比较判别:若最终0≤a_n≤b_n且Σb_n收敛,则Σa_n收敛;有限前缀只增加有限常数。反向用非负发散级数作为下界可证明发散。n≥2时1/n²≤1/[n(n−1)]=1/(n−1)−1/n;比较部分和望远镜消去得1−1/N<1。加第一项后Σ1/n²上界为二,证明收敛,无需计算精确和。
绝对收敛指Σ|a_n|收敛,它蕴含Σa_n收敛。写 a_n=p_n−m_n,其中 p_n=max(a_n,0)、m_n=max(−a_n,0)。二者非负部分和均受绝对和界控制,故各自单调有界收敛;再取极限之差即可。逆向不成立,可选做证明交替调和级数。有限项重排无碍,条件收敛无限级数的重排需要另一个定理,不能从有限加法交换律未经证明地交换无限极限。
比值判别也是比较论证。设项最终非零,|a_{n+1}/a_n|→L。若 L<1,选 L<q<1;某 N 后比值≤q,归纳得 |a_{N+j}|≤|a_N|q^j,由几何比较得绝对收敛。若 L>1,选介于一与 L 的增长因子,最终幅度增长而不能趋零。L=1没有结论:1/n与1/n²比值都趋一,级数却不同。若无穷多项为零,除法比值可能无定义,应换界或分析非零模式,不能忽略定义域。
计算时,已证明的尾界给有限近似到数学无限和的误差证书,浮点累加另有算术误差。适当模型下总误差≤截断误差加算术误差。下一项很小只有在定理将其与全部余项联系时才是停止证书;正几何比值可通过1/(1−q)联系,调和项则不能,因为余和无界。停止规则必须适配实际级数结构。
1/n→0为何不证明调和收敛?比值极限一有何结论?q=1/2,C=1从指数零开始保留十项,尾项多少?
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收敛关注部分和,调和分块下界使其无界。比值一无结论。十项省略指数十起的项,尾为2⁻⁹=1/512。
6. 迭代、残差与误导停止规则
迭代生成 x_{k+1}=F(x_k)。数列是否收敛与极限是否解目标问题是两件事。若 F 连续且 x_k→x,可在递推式取极限得 x=F(x*)。没有连续性该过程需另证,没有收敛递推式本身不提供解。有不动点也不保证选定起点趋向它:恒等映射每点固定;F(x)=2x虽有零不动点,任何非零初值都会离开。
F(x)=x/2+1 的不动点为二。递推误差满足 x_{k+1}−2=(x_k−2)/2,故 x_k−2=2⁻ᵏ(x_0−2)。x_0=10时误差8·2⁻ᵏ;严格小于.01需 k=10,因为 k=9为.015625、k=10为.0078125。当前残差|F(x)−x|=|x−2|/2,本例两倍残差恰等于误差。停止证书需命名不等式及所界定的量。
若集合内所有 x,y 满足 |F(x)−F(y)|≤q|x−y|,其中0≤q<1,则 F是压缩映射。设 F将非空闭区间映入自身且满足此界。相邻差≤q^k|x_1−x_0|;m>n时三角不等式及几何有限和给 |x_m−x_n|≤q^n|x_1−x_0|/(1−q)。迭代为柯西数列,实数完备性给极限,闭性使它留在区间。压缩不等式蕴含连续,所以极限是不动点。两个不动点的距离若≤q倍自身只能为零,故唯一。这同时证明存在、收敛和唯一;无界闭区间也可,因为柯西界提供所需有界性。
知道不动点存在及合法 q 后,无需知道 x* 即可由原映射残差 r=|F(x)−x|给误差界。三角不等式得 |x−x*|≤r+q|x−x*|,故 |x−x*|≤r/(1−q)。计算的舍入残差还要加算术误差裕量才成为严格数值证书。由少量采样估计 q 也不是统一定理。需写清界适用位置、迭代是否始终留在该域、数值残差如何取得。
人为缩小更新可以通过步长阈值,同时原不动点残差和解误差依旧很大。
考虑 F(x)=x+.1(100−x),q=.9、不动点100。将更新改为 x_new=x+α(F(x)−x),α=10⁻¹⁰。在 x=0时应用步长10⁻⁹,小于10⁻⁶容差,误差却近100。原残差近十,除以1−.9的证书也近100。松弛缩放步长,改变了步长阈值含义;即使松弛映射仍压缩,其因子1−.1α令残差到误差的乘数极大。这解释失败,并不违反定理。
绝对相对容差可用作工程策略:比较差异与 atol+rtol·scale,其中尺度明确、有限非负。它表示接受近似,不是精确相等。近零绝对项主导,换单位需要调整绝对尺度。按问题检查原方程残差、迭代移动、可行性及可用误差界。最大迭代数能结束尝试,不能认证收敛;应报告触发了哪一种条件。
有限采样不证明无穷尾部性质。实验1的三个数列前100项相同,长期行为不同。实验3在10,001个等距点采样连续窄峰,所有采样高度零,中心高度却一。这反驳该网格的推断,而非连续性。没有控制未采样区域的正则界,图像不能认证一致误差;已知 Lipschitz 常数加网格间距可提供控制,但得到常数需要额外证据。
浮点运算还会出现停滞:在10¹⁶附近二进制64位可能满足 x+1==x,因为增量被舍掉。实数递推 x_{k+1}=x_k+1仍发散,存储值不变不证明实数收敛。检查实际可表示输入,不只打印位数;可去奇点附近名义增量可能舍为零而落入不同定义域情况。精确变换、误差界与有限观察各有作用,不能在AI训练或数值算法主张中无声互相替代。
q=.9、精确残差.02认证什么误差?微小松弛更新为何不够?重复浮点值说明什么?
查看答案
误差≤.02/(1−.9)=.2。松弛能缩移动而不缩原残差或解误差。重复值仅说明该算术下存储迭代停滞,不证明目标实数过程收敛或满足原方程。
常见误解
| 主张 | 修正 |
|---|---|
| 有界就是收敛。 | 交替±1有界不收敛。 |
| 去心极限就是点值。 | 孤立赋值可以不同或不存在。 |
| 小 δ 自动适合全部 ε。 | 按请求 ε 给 δ 并证明蕴含。 |
| 变号总能证明根。 | 要整个区间连续。 |
| 项趋零就级数收敛。 | 调和部分和无界。 |
| 比值极限一就是发散。 | 无结论,对比1/n与1/n²。 |
| 存储数字不变就是数学收敛。 | 舍入和松弛都能隐藏大残差。 |
三个可复现实验
实验1 · 样本、精确和与不同尾部
下载 lab1_sequences_and_series.py
"""Finite samples suggest behaviour; exact formulas supply the arguments."""
from fractions import Fraction
for n in [1, 2, 10, 100]:
print("n / 1/n / alternating / geometric:", n, str(Fraction(1, n)), (-1)**n, format(0.5**n, ".6e"))
for terms in [1, 2, 4, 10]:
partial = sum((Fraction(1, 2)**k for k in range(terms)), Fraction(0))
remainder = 2*Fraction(1, 2)**terms
assert partial == 2-remainder
print("Geometric terms / partial / exact tail:", terms, str(partial), str(remainder))
prefix_end = 100
def candidate_zero(n):
return Fraction(1, n)
def candidate_two(n):
return Fraction(1, n) if n <= prefix_end else Fraction(2)
def candidate_oscillation(n):
return Fraction(1, n) if n <= prefix_end else Fraction((-1)**n)
assert all(candidate_zero(n) == candidate_two(n) == candidate_oscillation(n) for n in range(1, 101))
print("Three sequences share their first 100 terms.")
for n in [100, 101, 102]:
print("n / true-zero / delayed-two / delayed-oscillation:", n, str(candidate_zero(n)), str(candidate_two(n)), str(candidate_oscillation(n)))
print("The shared finite prefix cannot establish a common infinite-time limit.")
n / 1/n / alternating / geometric: 1 1 -1 5.000000e-01
n / 1/n / alternating / geometric: 2 1/2 1 2.500000e-01
n / 1/n / alternating / geometric: 10 1/10 1 9.765625e-04
n / 1/n / alternating / geometric: 100 1/100 1 7.888609e-31
Geometric terms / partial / exact tail: 1 1 1
Geometric terms / partial / exact tail: 2 3/2 1/2
Geometric terms / partial / exact tail: 4 15/8 1/8
Geometric terms / partial / exact tail: 10 1023/512 1/512
Three sequences share their first 100 terms.
n / true-zero / delayed-two / delayed-oscillation: 100 1/100 1/100 1/100
n / true-zero / delayed-two / delayed-oscillation: 101 1/101 2 -1
n / true-zero / delayed-two / delayed-oscillation: 102 1/102 2 1
The shared finite prefix cannot establish a common infinite-time limit.
标准库 Python 即可。区分精确几何分数验证的有限计算与公式证明的无限极限;找前缀相同数列第一次不同的位置。先依据定义预测长期行为再运行,不从共同前缀推断极限。
实验2 · 两侧与实际浮点输入
"""Actual floating inputs matter when sampling a removable singularity."""
def punctured(x):
if x == 1:
raise ValueError("Original quotient is undefined at x=1")
return (x*x-1)/(x-1)
for exponent in [1, 4, 8, 12, 16]:
nominal = 10.0**(-exponent)
for sign in [-1, 1]:
x = 1+sign*nominal
try:
direct = format(punctured(x), ".12g")
except ValueError:
direct = "undefined: floating input equals 1"
print("Nominal h / actual x-1 / quotient / continuous extension:", format(sign*nominal, ".1e"), format(x-1, ".6e"), direct, format(x+1, ".12g"))
print("Symbolic factorisation gives x+1 only for the punctured original domain; its limit is 2.")
for h in [0.1, 0.001, 0.000001]:
left_threshold, right_threshold = 0, 1
print("h / threshold left-right / reciprocal left-right:", h, (left_threshold, right_threshold), (-1/h, 1/h))
print("Threshold has unequal finite one-sided limits; reciprocal has opposite unbounded one-sided behaviour.")
Nominal h / actual x-1 / quotient / continuous extension: -1.0e-01 -1.000000e-01 1.9 1.9
Nominal h / actual x-1 / quotient / continuous extension: 1.0e-01 1.000000e-01 2.1 2.1
Nominal h / actual x-1 / quotient / continuous extension: -1.0e-04 -1.000000e-04 1.9999 1.9999
Nominal h / actual x-1 / quotient / continuous extension: 1.0e-04 1.000000e-04 2.0001 2.0001
Nominal h / actual x-1 / quotient / continuous extension: -1.0e-08 -1.000000e-08 1.9999999889 1.99999999
Nominal h / actual x-1 / quotient / continuous extension: 1.0e-08 1.000000e-08 2 2.00000001
Nominal h / actual x-1 / quotient / continuous extension: -1.0e-12 -9.999779e-13 2 2
Nominal h / actual x-1 / quotient / continuous extension: 1.0e-12 1.000089e-12 2 2
Nominal h / actual x-1 / quotient / continuous extension: -1.0e-16 -1.110223e-16 2 2
Nominal h / actual x-1 / quotient / continuous extension: 1.0e-16 0.000000e+00 undefined: floating input equals 1 2
Symbolic factorisation gives x+1 only for the punctured original domain; its limit is 2.
h / threshold left-right / reciprocal left-right: 0.1 (0, 1) (-10.0, 10.0)
h / threshold left-right / reciprocal left-right: 0.001 (0, 1) (-1000.0, 1000.0)
h / threshold left-right / reciprocal left-right: 1e-06 (0, 1) (-1000000.0, 1000000.0)
Threshold has unequal finite one-sided limits; reciprocal has opposite unbounded one-sided behaviour.
记录名义与实际存储偏移。解释因式分解为何在去心域一致,而在一求延拓值改变定义域约定。比较阈值、倒数两侧样本并关联单侧证明;样本用于说明,不代替全称论证。
实验3 · 遗漏峰与假停止
"""A small update, missed narrow feature, or rounded fixed value is not a proof."""
center, width = 0.123456789, 1e-6
def bump(x):
return max(0.0, 1-abs(x-center)/width)
grid = [i/10000 for i in range(10001)]
sample_max = max(map(bump, grid))
assert sample_max == 0 and bump(center) == 1
print("Grid maximum / actual centre value:", sample_max, bump(center))
# F(x)=x+0.1(100-x) has fixed point 100, but an artificially tiny relaxation
# makes the update test pass far from that fixed point.
def F(x):
return x+0.1*(100-x)
step_size, tolerance, x = 1e-10, 1e-6, 0.0
next_x = x+step_size*(F(x)-x)
update = abs(next_x-x)
residual = abs(F(next_x)-next_x)
error = abs(next_x-100)
print("Relaxed update / stopping tolerance:", update, tolerance)
print("Naive update-only stops:", update < tolerance)
print("Actual fixed-point residual / error:", residual, error)
assert update < tolerance and residual > 9 and error > 99
q = 0.9
certified_bound = residual/(1-q)
print("Contraction residual bound for original F:", certified_bound)
assert abs(error-certified_bound) < 1e-10
floating = 1e16
rounded_next = floating+1.0
print("Floating stagnation / real intended increment:", rounded_next == floating, 1)
assert rounded_next == floating
print("Check the original problem residual and the theorem assumptions; finite equality can be rounding.")
Grid maximum / actual centre value: 0.0 1.0
Relaxed update / stopping tolerance: 1e-09 1e-06
Naive update-only stops: True
Actual fixed-point residual / error: 9.9999999999 99.999999999
Contraction residual bound for original F: 99.99999999900002
Floating stagnation / real intended increment: True 1
Check the original problem residual and the theorem assumptions; finite equality can be rounding.
由公式直接找未采样峰。比较松弛步长、原残差、已知误差和压缩证书;换较大的松弛参数再解释变化。最后按实数与表示值的区别解释停滞相等式。
十四道练习与完整解答
前十二道必做,13–14为选做,额外35分钟不计入八小时核心安排。
a_n=3/n时给整数 N,使每个 n≥N 都有 |a_n|<.02,再给任意 ε>0 的公式。
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需 n>150,取 N=151。一般 N=⌊3/ε⌋+1严格大于3/ε,故 n≥N 时3/n≤3/N<ε,即使3/ε恰为整数也保留严格性。
x≠2时 f(x)=(x²−4)/(x−2),f(2)=9。求两侧极限并判断连续。
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去心域上等于 x+2,两侧均趋四,双侧极限四。f(2)=9不同故不连续;改赋四才是连续延拓,约分不修改原赋值。
求Σ_{k=0}∞3(1/4)^k的和、保留 N项的精确尾部,以及尾<.01的最小正 N。
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和为四,尾4·4⁻ᴺ。N=4尾1/64=.015625,N=5尾1/256=.00390625,故最小五,保留指数零至四。
已证明压缩因子.8,当前精确残差.006。求误差证书并区分残差。
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误差≤.006/(1−.8)=.03。残差是一次映射前后差,不动点距离可以更大。结论是满足假设时的上界,不是实际误差恰为.03;舍入残差需要额外算术裕量。
证明收敛实数列有界且极限唯一。
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取 ε=1使尾部 |a_n|≤|L|+1,与有限前缀最大幅度合并成全局界。若 L,M不同,距离 D>0,选共同尾部使两边误差<D/3,三角不等式给 D<2D/3,矛盾。有界本身不蕴含收敛。
用局部因子界证明 x→3时 x²→9,写清量词顺序。
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任给 ε>0,取 δ=min(1,ε/7)。0<|x−3|<δ使2<x<4,|x+3|<7,故 |x²−9|=|x−3||x+3|<7δ≤ε。顺序为任意 ε、选正 δ、全部合格 x;δ不能依赖后来输入。
用正负部分证明绝对收敛蕴含收敛,解释为何尚未证明所有重排定理。
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p_n=max(a_n,0)、m_n=max(−a_n,0),a_n=p_n−m_n、|a_n|=p_n+m_n。二者非负部分和递增,均受收敛绝对部分和上界控制,所以单调有界收敛;其差也收敛。这证明原索引顺序的级数,任意重排及多重无限极限交换另需论证。
认证 f(x)=x²−2在[1,2]有根。介值定理是否独自认证唯一?为本例补论证。
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多项式在闭区间连续,端值−1与2异号,介值定理给存在。唯一不由该定理独自给出;1≤x<y≤2时 y²−x²=(y−x)(y+x)>0,函数严格递增,所以不能有两个根。
F(x)=.75x+2、x_0=0,求不动点、第 k步误差、首次误差<.1的 k,以及残差证书。
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.25x=2得八;误差8(.75)^k。k=15约.106908,k=16约.080181,首次16。全域压缩因子.75,故 |x−8|≤4|F(x)−x|,本仿射例等号成立。几何公式控制所有后续项而不只图中点。
j≥0时 |a_{N+j}|≤.03(.6)^j。界定从 N起的遗漏绝对尾部,判断是否认证.05精度。
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尾≤.03/(1−.6)=.075,不认证.05。从 N+1起则≤.018/.4=.045,严格低于.05。若部分和舍入还要加算术误差。上界未认证不等于实际误差已被证明>.05。
程序观察100个有界项便宣布收敛。给相同前缀不同结果的定义并修正主张。
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两者 n≤100都取1/n;一个始终1/n而趋零,另一个 n>100取(−1)^n而不收敛,还可构造常数二尾部。有限观察只认证这些项及采样范围;收敛需完整定义、量化尾部论证或已检验假设的定理。
F(x)=x+.1(100−x),从零开始松弛10⁻¹⁰,看步长10⁻⁹小于10⁻⁶即停。诊断误差并修复报告。
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新值10⁻⁹,解误差99.999999999。原残差约十,除以1−.9仍为该大误差证书。小步长来自松弛,不来自接近100。报告触发更新阈值,给原残差和可证明误差界,按精度要求继续或返回未经认证的近似。
用奇偶部分和与缩小间隙证明交替调和级数收敛但非绝对收敛。
查看解答
S_{2m}递增,因为两项增量1/(2m+1)−1/(2m+2)>0;S_{2m+1}递减,因为增量−1/(2m+2)+1/(2m+3)<0。偶和低于后续奇和,两者间隙1/(2m+1)→0。两子列单调有界且趋同一极限,整个部分和收敛。绝对级数为调和,由分块证明发散,不必计算条件收敛和的值。
[a,b]上 f有已证明 Lipschitz 常数 K。样点包括端点,邻距≤h,样值 |f|≤M。证明全域界并说明无 K时缺什么。
查看解答
每个 x距最近样点≤h/2,因此 |f(x)|≤|f(sample)|+K|x−sample|≤M+Kh/2。常数与网格假设将样本变成全域证书;无已知正则界时,样点间连续窄峰可以任意高而样值仍小。连续性本身不给指定 K或可计算网格误差。
十题自检
查看答案
任给 ε>0,取 δ=min(1,ε/5);0<|x−2|<δ使 |x+2|<5、|x²−4|<5δ≤ε。迭代需有已证明的不变域、不动点与 q<1,原精确残差 r给误差≤r/(1−q)。数值证书还需算术裕量。松弛步长 αr可因 α小而很小,不独自认证小原残差或解误差,应报告满足的终止条件和界。
有目标的阅读
使用一手MIT OpenCourseWare 单变量微积分课程的极限、连续和无限过程材料。Python3.11官方浮点教程解释实验的表示与舍入现象。本课量化证明、反例和停止分析为独立推导。
| 时间 | 选读与问题 |
|---|---|
| 第1次 · 20分钟 | 极限与连续:量化哪些输入,是否包括该点? |
| 第4次 · 20分钟 | 无限过程与数值表示:哪个主张有定理,哪个只有有限轨迹? |
检索结业任务与下一步
不看笔记写数列、函数极限量词,证明非线性极限,给有界发散和项趋零但级数发散例。写介值与最值假设,推导几何尾部及压缩残差界。
结业任务:F(x)=.8x+1不动点五,从零开始误差5(.8)^k;原残差为.2|x−5|。指定严格误差容差并选足够步数,再解释把更新乘10⁻¹⁰为何使原更新阈值精度解释失效。
可以进入下一课:你能区分存在性、量化收敛、近似容差与存储停滞。下一模块用极限构造导数,并检查目标函数的连续边界。可用性见课程总览。
符号与双语术语
| 符号或术语 | 含义 | English |
|---|---|---|
| a_n→L / ε,N | 每种精度控制整个尾部 | Sequence limit, tail threshold |
| ε,δ | 输出精度与输入邻域保证 | Output accuracy, neighbourhood |
| 单侧、去心 | 从一侧接近、排除点本身 | One-sided, punctured |
| 连续性 | 邻近输出趋实际赋值 | Continuity |
| 完备、柯西 | 内部接近尾部在实数中有极限 | Completeness, Cauchy |
| 部分和、尾项 | 有限近似、遗漏余项 | Partial sum, tail |
| 绝对收敛 | 幅度之和收敛 | Absolute convergence |
| 压缩、残差 | 统一缩距因子、方程差异 | Contraction, residual |
| 停滞、容差 | 存储移动消失、可接受误差策略 | Stagnation, tolerance |