方企勤 第五章 多元函数微分学 第1题

教材习题

📝 题目

例 1 设 ${x}_{n},{y}_{n} \in {\mathbf{R}}^{m}\left( {n = 1,2,\cdots }\right) ,\mathop{\lim }\limits_{{n \rightarrow \infty }}{x}_{n} = \mathbf{a},\mathop{\lim }\limits_{{n \rightarrow \infty }}{y}_{n} = \mathbf{b}$ ,证明:

$$ \mathop{\lim }\limits_{{n \rightarrow \infty }}\left( {{x}_{n} \cdot {y}_{n}}\right) = a \cdot b. $$

💡 答案解析

证法 $1\forall \varepsilon > 0$ ,因有极限点列必为有界点列,故存在 ${M}_{1} > 0$ , 使 $\left| {\mathbf{y}}_{n}\right| \leq {M}_{1}$ . 令 $M = \max \left( {{M}_{1},\left| \mathbf{a}\right| }\right)$ . 由 $\displaystyle{\mathop{\lim }\limits_{{n \rightarrow \infty }}{\mathbf{x}}_{n} = \mathbf{a},\mathop{\lim }\limits_{{n \rightarrow \infty }}{\mathbf{y}}_{n} = \mathbf{b},\exists N}$ ,当 $n > N$ 时,有

$$ \left| {{x}_{n} - a}\right| < \varepsilon /{2M},\;\left| {{y}_{n} - b}\right| < \varepsilon /{2M}. $$

于是当 $n > N$ 时,有

$$ \left| {{x}_{n} \cdot {y}_{n} - a \cdot b}\right| = \left| {{x}_{n} \cdot {y}_{n} - a \cdot {y}_{n} + a \cdot {y}_{n} - a \cdot b}\right| $$

$$ = \left| {\left( {{\mathbf{x}}_{n} - \mathbf{a}}\right) \cdot {\mathbf{y}}_{n} + \mathbf{a} \cdot \left( {{\mathbf{y}}_{n} - \mathbf{b}}\right) }\right| $$

$$ \leq \left| {\left( {{\mathbf{x}}_{n} - \mathbf{a}}\right) \cdot {\mathbf{y}}_{n}}\right| + \left| {\mathbf{a} \cdot \left( {{\mathbf{y}}_{n} - \mathbf{b}}\right) }\right| $$

$$ \leq \left| {{x}_{n} - a}\right| \cdot \left| {y}_{n}\right| + \left| a\right| \cdot \left| {{y}_{n} - b}\right| $$

$$ \leq M\left( {\left| {{x}_{n} - a}\right| + \left| {{y}_{n} - b}\right| }\right) < \varepsilon , $$

$$ \mathop{\lim }\limits_{{n \rightarrow \infty }}\left( {{x}_{n} \cdot {y}_{n}}\right) = a \cdot b. $$

证法 2 设

$$ {x}_{n} = \left( {{x}_{n}^{1},\cdots ,{x}_{n}^{m}}\right) ,\;{y}_{n} = \left( {{y}_{n}^{1},\cdots ,{y}_{n}^{m}}\right) \;\left( {n = 1,2,\cdots }\right) , $$

$$ \mathbf{a} = \left( {{a}^{1},\cdots ,{a}^{m}}\right) ,\;\mathbf{b} = \left( {{b}^{1},\cdots ,{b}^{m}}\right) . $$

由 $\displaystyle{\mathop{\lim }\limits_{{n \rightarrow \infty }}{\mathbf{x}}_{n} = \mathbf{a},\mathop{\lim }\limits_{{n \rightarrow \infty }}{\mathbf{y}}_{n} = \mathbf{b}}$ ,可得

$$ \mathop{\lim }\limits_{{n \rightarrow \infty }}{x}_{n}^{i} = {a}^{i},\;\mathop{\lim }\limits_{{n \rightarrow \infty }}{y}_{n}^{i} = {b}^{i}\;\left( {i = 1,\cdots ,m}\right) , $$

所以 $\mathop{\lim }\limits_{{n \rightarrow \infty }}\left( {{\mathbf{x}}_{n} \cdot {\mathbf{y}}_{n}}\right) = \mathop{\lim }\limits_{{n \rightarrow \infty }}\mathop{\sum }\limits_{{i = 1}}^{m}\left( {{x}_{n}^{i} \cdot {y}_{n}^{i}}\right) = \mathop{\sum }\limits_{{i = 1}}^{m}{a}^{i} \cdot {b}^{i} = \mathbf{a} \cdot \mathbf{b}$ .

评注 证法 2 用到空间是有限维这一性质, 而证法 1 没有用到空间是有限维这一性质, 所以它对任一具有内积的线性空间都适用.

📋 详细解题步骤

步骤 1/3
目标:证明极限存在,使用ε-N定义
由于{x_n}和{y_n}收敛,它们有界。存在M1>0使得|y_n|≤M1,令M=max(M1,|a|)。对任意ε>0,存在N使得当n>N时,|x_n-a|<ε/(2M)且|y_n-b|<ε/(2M)。
公式:|x_n - a| < ε/(2M), |y_n - b| < ε/(2M)
提示:利用收敛点列的有界性
步骤 2/3
目标:估计|x_n·y_n - a·b|
将表达式拆分为(x_n-a)·y_n + a·(y_n-b),利用三角不等式和柯西-施瓦茨不等式放缩。
公式:|x_n·y_n - a·b| ≤ |x_n-a|·|y_n| + |a|·|y_n-b| ≤ M(|x_n-a|+|y_n-b|) < ε
提示:注意内积的线性性和范数的三角不等式
步骤 3/3
目标:得出结论
由ε的任意性,得lim(x_n·y_n)=a·b。

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