2.开启篇章的数列极限
“既然你已经学习过了数列,那么我们来举一个数列极限的例子。”Isle说,“譬如这扇窗户。”他指向那扇向阳的窗说:“假设从今天起,我们每天都用布遮住透光部分的一半,那么会发生什么?”
“那么无论用多少天,我们也无法完全遮住那扇窗户。’矽回答道。
“没错,”Isle说,“无论过多少天,无论我们盖了多少块布,也总有一束光会从留下的小空中透入。如果我们把整个窗户的面积设为1cr^2,那么就可以列出每天余下的透光部分的面积,可以得出一个数列{1/2^n},单位是cr^2。”说着,Isle在纸上写下了式子。
“不难看出,”Isle继续说,“如果n无限地增大,通项‘1/2^n’的值就会无限地接近0,那么我们就称‘0’为数列{1/2^n}的极限。”
“这就是极限的定义吗?”矽微微一笑,“看起来好像很简单的样子。为什么数学院会研究这么久还没有结果呢?”
“对一个理论的严密性的论证是很重要的,一些关键性的东西的论证甚至需要几百年,我刚才说的只是主观理解的皮毛而已,这个你以后就会明白了罢。”Isle说,继续讲解,“一般地说,对于数列{a_n},若当n无限增大时,通项‘a_n’能无限接近于某个常数‘a’,我们就叫这个数列为收敛数列,称‘a’为它的极限。反之就是发散数列。”
“接下来,我要给出一个严密的定义。”Isle说着,看向矽,“这个定义很重要,是一个基础,所以你要完全地理解它。”
“嗯。”矽说。
“设{a_n}为一个数列,”Isle一边说一边在纸上写下定理,“a为定数。若对任给的正数ε(Epsilon),总存在正整数N,使得当n>N时有‘|a_n-a|<ε’,则称数列{a_n}收敛与a,定数a称为数列{a_n}的极限,并记作:lim(n→∞)a_n=a或a_n→a (n→∞)。这个定义也被称为‘ε-N定义’。”
“ε-N定义……当n趋于无穷大时,{a_n}的极限等于a?”
“没错,这就是它的读法。”Isle说。
“那‘lim’是什么意思?”矽问,“为什么用‘∞’而不用‘+∞’呢?”
“你的问题提得不错,”Isle笑答,“‘lim’是我们那边另一种语言(拉丁文)‘limes’,即‘极限’一词的缩写。而用‘∞’却不用‘+∞’的原因是在数列中n只能取正整数所以把它简化了。”
“原来是这样。”矽说,又回头看着上面的式子,“果然还是有点抽象啊。”
“那我们不妨观察一下式子,”Isle说,“‘|a_n-a|’可以理解为‘a’与‘a_n’的差距,那么ε的作用就在于衡量‘a’与‘a_n’的接近程度,ε越小就表示‘a’与‘a_n’越接近。而在条件中ε为正数,因此ε可以任意小,这便是它的任意性。尽管如此,我们在证明极限时ε一经给出就成为了定值,因为我们需要通过它来确定‘N’。”
“N。”矽依然有不明白的地方,“那么N有什么用呢?为什么说N存在才有极限的存在呢?”
“我们可以从几何意义上去理解N。”Isle说。
“几何意义?”矽挠挠头,看向了纸上的公式。
“没错,”Isle说,“从几何意义上看,当n>N时有‘|a_n-a|<ε’,意味着所有下标大于N的项‘a_n’都落在领域U(a;ε)内,即{a_(N+1) a_(N+2) a_(N+3)… a_n}(≤{x|a-ε<x<a+ε}(‘(≤’为‘含于’符号)。同时在U(a;ε)外,数列{a_n}中的项至多有N个(N为正整数,即为有限个)。”
“嗯…差不多可以理解但还是举个例子吧。”矽说。
“好。”Isle又拿起了笔,“引用刚才的例子,我们考察一下数列{1/2^n}。我们已经知道lim(n→∞)(1/2^n)=0,所以|1/2^n-0|<ε。设ε为1/16,所以1/2^n<1/16,可以得出n>4,因此存在N最大为4。倘令ε减小,取1/256、1/1024…那么N都相应存在有8、10…如果ε趋于0,所取的N既可以趋近无穷大,所以1/2^n趋近于0。反之,如果令|1/2^n-1|<ε,可以得出n<log_216/15(以2为底16/15的对数),显然不存在有可以确定的正整数N<n了。那么在区间(15/1617/16)之外有不可计数个项,即a_n可以小于1(其实是小于15/16),所以1不是{1/2^n}的极限。”
“嗯,我懂了!”矽顿悟,“因为把窗户完全遮起来是一个极限,所以在完全把窗户遮起来也就是达到这个极限之前(就算永远也达不到),贴上布的次数一定是有限的。”
“不错,”Isle说,“既然你已经理解到这个程度了,就由你自己来证明一个式子吧。lim(n→∞)(1/n^2)=0。”
“嗯,我试试。”说着,矽开始在纸上证明起来:
∵|1/n^2-0|=1/n^2 又n>N
∴1/n^2<1/N^2<ε 可以推出N>√(1/ε)
∴存在N=[√(1/ε)]+1>√(1/ε)使|1/n^2-0|<ε
∴lim(n→∞)(1/n^2)=0
(注:[f(x)]为高斯函数,取整运算,[3.14]=3、[-5.4]=-6)
在矽写下最后一笔的那一刻,一种莫名的力量从他的头部开始蔓延,这种奇怪的感觉霎时间充满了全身,就如千万只蚂蚁在组织间杂乱无章地爬动,他不禁打了个寒颤,握紧了手中的铅笔。“咔”的一声,铅笔断裂成两截,滚落在桌上。
“这……这就是我的特长吗?”矽惊叹,“瞬间身体强化型?”
“看起来好像是这样,”Isle说,“不过从名称上来看的话……‘极限’这个词似乎也挺合适的。”
“不过一般的特长都是对原有的能力进行加强,”矽说,“而我的特长却不是提升数学能力,反倒是提升了身体机能。”
“我倒是觉得,通过数学学习让你领悟自己的特长便是你的特长。”Isle说,“既然这样你就再尝试一下使用你的特长吧。”
“嗯。”矽尝试着再一次找到刚才使用特长的感觉。
“……”
“没有什么感觉。”矽说。
“是不是有什么原因呢?”Isle摸了摸下巴,注意到了方才的纸。
“对了。是‘吟唱’吧!”Isle突发奇想。
“你的意思是……”
“在口中默念‘极限’之类的话应该可以放出能量吧。”Isle说。
“那我再试一下。”矽于是把自己浸入一种求极限的状态之中。然后,他张开嘴,吟唱道:“limes,n→∞!”顿时,那股力量再次从脑部扩散开来,矽举起右手,一掌拍在身旁的墙上。一阵颤动,随着木制家具摇摆产生的咯吱声,墙上,地上,床上的大颗粒的灰尘都脱离了表面,浮散在空气中,闪耀在阳光下。
“你做到了。”Isle说。
“嗯,Isle,请教我更多的数学吧!”矽兴奋地说道,眼中满是对未来的期望。
“好,”Isle笑着拍了拍矽的肩,“不过希望你家里还有容我住的房间。”
“当然,我父母的房间还空着呢。”矽说,“他们可不会介意了。”
“完美,”Isle说道,“终于可以安顿下来了。不过……现在什么时间了?”
“早上9:00。”矽说,“还很早呢。”
“对了,”Isle说,“早上好像打断了你的劳动,你所种的是什么特殊品种的麦子吗?”
“没错。”矽一谈起农学也很是自信,“普通的麦,想Wh麦和Shir麦都是作粮食的,有专业的大农场,我一个人种当然不赚钱。因此我选择了特殊的魔量作物,顾名思义就是食用或提炼可以得到魔量的作物。”
“‘魔量’就是这个地方使用特长所需要的能量吧。”Isle说。
“没错,普通食物只提供微量的魔量,而我所种植的Aka麦和Pur麦,但从魔量生产量考虑可以分别富集25、32mag/(cr^2*y)(每cr^2土地上每年可以富集的魔量)。”矽说,“这种作物需要精心培养,卖给专业的提炼铺也可以得到足够的收益……那我先去劳作了。”
“嗯,”Isle说,“旁边那个叫Acdemon城是吧。”
“对。”
“我先去逛一逛,中午应该可以回来。”Isle说。
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