既然你愿意去看极限,我就勉为其难,花点时间正经帮你捋一下逻辑。能不能想明白就看你自己了。
逻辑顺序是这样的:
1. 数学里把0.99....这个符号定义成0.9, 0.99,0.999,...这个数列的极限(要注意0.99...并不是该数列中的任何一项,也不是该数列最后的一项,因为该数列没有最后的项)。
2. 按照极限定义里的符号,现在0.99...就是a,然后0.9, 0.99, 0.999,...这个数列是{xn}。我们现在想判断a是不是1。
3. 现在要验证a是不是等于1。换言之就是代入到定义里,把定义里的a换成1,看看命题是否成立。代入后的是这样的: “对于数列{xn}, 对于任意ε>0,总存在正整数N,使得当n>N时,|xn-1|<ε成立,那么称1是数列{xn}的极限。” 这个定义是说,对于任意一个实数ε>0,如果能找到一个正整数N,该N满足后边的条件,那么1就是数列{xn}的极限。所以核心就是是否能找到这个N,如果我直接把N找出来,就完成了。
4. 现在我把N给你找出来。对于任意ε>0,令N= [lg ε]+1 ([lg ε]表示 lg ε取整)。显然可以得到当n大于N时,|xn-1|<ε。所以1是0.9, 0.99,0.999,....这个数列的极限。
这一步是关键,因为整个推理的核心就在这一步,你要很仔细地斟酌,我猜测你就是这个步骤想不明白。极限的定义看起来很繁琐,但实际上翻译成通俗的语言就变成这样:考虑数列 0.9,0.99, 0.999,....,如果有一个数a。对于任意一个实数ε>0,从数列的某一项开始,它后边的项和a的差距都小于ε,那a就是该数列的极限。
显然a就是1,因为任意给一个ε,只要0.99..9里边的9足够多,那么该项和1的距离就会小于ε和1的距离。该项之后的项和1的距离就更小了,因此1自然而然满足了极限的定义。
从几何上,0.9,0.99,0.999,....这个数列可以看成是一个“点列”,每个数代表数轴上的一个点。而所谓极限就是这个点列越来越接近的点a,并且你以a点为圆心,上画一个半径大于0(半径位ε)的圆圈。不管这个圆圈多小,圆圈都会包含了点列中,从某个点开始后边的所有的点。非常直观的可以看出来1就是数列的极限。按照定义严格证明就是上边的说的,找出这个N并不难。但其实如果你从图像上去看,一眼就能看出来极限是1。
5. 最后,根据定义和前边的推理我们知道,0.99....这个记号表示数列 0.9, 0.99,0.999,....的极限(第一步)。1也是数列0.9, 0.99,0.999,....的极限。(第二三四步)。那是否会出现一个数列有两个极限的情况呢?如果会,那0.99....就有可能不等于1,如果不会那0.99...就等于1。这里涉及到极限的唯一性,本质上是实数的构造(柯西列的等价类)。答案是极限唯一,一个数列不会有两个极限。严格证明需要一些背景知识,太长了你自己去学一下数学分析里就可以了,不就不具体说了。从几何上其实很容易判断。假如一个数列有两个不同的极限,比如a和b,那我只要取ε=|a-b|/2,那么以a为圆心,ε为半径的圆,以及以b为圆心,ε为半径的圆是不重合的。因此至少有一个圆里不包含数列中的无穷多个点。因此至少有一个不满足极限的定义。
逻辑顺序是这样的:
1. 数学里把0.99....这个符号定义成0.9, 0.99,0.999,...这个数列的极限(要注意0.99...并不是该数列中的任何一项,也不是该数列最后的一项,因为该数列没有最后的项)。
2. 按照极限定义里的符号,现在0.99...就是a,然后0.9, 0.99, 0.999,...这个数列是{xn}。我们现在想判断a是不是1。
3. 现在要验证a是不是等于1。换言之就是代入到定义里,把定义里的a换成1,看看命题是否成立。代入后的是这样的: “对于数列{xn}, 对于任意ε>0,总存在正整数N,使得当n>N时,|xn-1|<ε成立,那么称1是数列{xn}的极限。” 这个定义是说,对于任意一个实数ε>0,如果能找到一个正整数N,该N满足后边的条件,那么1就是数列{xn}的极限。所以核心就是是否能找到这个N,如果我直接把N找出来,就完成了。
4. 现在我把N给你找出来。对于任意ε>0,令N= [lg ε]+1 ([lg ε]表示 lg ε取整)。显然可以得到当n大于N时,|xn-1|<ε。所以1是0.9, 0.99,0.999,....这个数列的极限。
这一步是关键,因为整个推理的核心就在这一步,你要很仔细地斟酌,我猜测你就是这个步骤想不明白。极限的定义看起来很繁琐,但实际上翻译成通俗的语言就变成这样:考虑数列 0.9,0.99, 0.999,....,如果有一个数a。对于任意一个实数ε>0,从数列的某一项开始,它后边的项和a的差距都小于ε,那a就是该数列的极限。
显然a就是1,因为任意给一个ε,只要0.99..9里边的9足够多,那么该项和1的距离就会小于ε和1的距离。该项之后的项和1的距离就更小了,因此1自然而然满足了极限的定义。
从几何上,0.9,0.99,0.999,....这个数列可以看成是一个“点列”,每个数代表数轴上的一个点。而所谓极限就是这个点列越来越接近的点a,并且你以a点为圆心,上画一个半径大于0(半径位ε)的圆圈。不管这个圆圈多小,圆圈都会包含了点列中,从某个点开始后边的所有的点。非常直观的可以看出来1就是数列的极限。按照定义严格证明就是上边的说的,找出这个N并不难。但其实如果你从图像上去看,一眼就能看出来极限是1。
5. 最后,根据定义和前边的推理我们知道,0.99....这个记号表示数列 0.9, 0.99,0.999,....的极限(第一步)。1也是数列0.9, 0.99,0.999,....的极限。(第二三四步)。那是否会出现一个数列有两个极限的情况呢?如果会,那0.99....就有可能不等于1,如果不会那0.99...就等于1。这里涉及到极限的唯一性,本质上是实数的构造(柯西列的等价类)。答案是极限唯一,一个数列不会有两个极限。严格证明需要一些背景知识,太长了你自己去学一下数学分析里就可以了,不就不具体说了。从几何上其实很容易判断。假如一个数列有两个不同的极限,比如a和b,那我只要取ε=|a-b|/2,那么以a为圆心,ε为半径的圆,以及以b为圆心,ε为半径的圆是不重合的。因此至少有一个圆里不包含数列中的无穷多个点。因此至少有一个不满足极限的定义。