题:证明 \(\lim_{x \to + \infty} x sinx\) 不存在
心路历程:
这道题目并不难得出结论,而且结论是十分显而易见的:因为含有周期函数在表达式中、而且周期函数本身是存在过零点的,因而计算结果也会是一个周期函数,虽然结果的摆幅不固定、但是结果的周期性是一定的、而且也是随着表达式中的过零点同频过零的,因而显然这个数列的极限并不固定、因而极限也就不存在。
但是这道题的困难在于:要将上面的想法转换成数学语言进行描述。
可以考虑从原有的自变量数列 \(x \to + \infty\) 中抽取出两个“子数列”,令这两个子数列恰恰分别是摆动极值和过零值,这样两个子数列各自由自己的“极限”、”恒等零“、”发散“等各自的表现,而两个子数列各自的”极限结果“并不统一,从而证明出原数列没有极限。
证明过程:
根据极限的定义,当 \(x \to +\infty\) 时,若极限值存在,则所有从 \(x \to +\infty\) 中抽取的子数列的极限值应相等。若存在子数列极限值不同,则原函数极限不存在。考虑到原始表达式中含有正弦因子,因而构造其特定的相位所形成的数列:
从 \(x \to + \infty\) 这个数轴数列中,抽取出两个子数列,分别是:
数列1:\(a_n = 2n\pi, (n \in \mathbb{N})\),当 \(n\to +\infty\)时,\(a_n \to +\infty\)
数列2:\(b_n = 2n\pi + \frac{\pi}{2}, (n \in \mathbb{N})\),当 \(n\to +\infty\)时,\(b_n \to +\infty\)
上述数列1和数列2,都是从原数轴上取得到的点,并且两个子数列并无交叉、重复取样,因而两个子数列可分别用于完成数列极限的推演。
之所以取上面的两个子数列,主要考虑的是正弦波形上这些特征点的结果可以是恒为0、或恒为1的,有助于更快的得到结果。也可以使用其他相位角构造数列,但是上述2个数列会令后面的计算与分析,更加简单。
设:\(f(x)=x sinx\),则可以将数列极限转换成等价的函数极限:\(\lim_{x \to +\infty} f(x)\)
对于\(a_n\)有:\(\lim_{a_n \to +\infty} f(a_n) = \lim_{n \to +\infty} (2n\pi \times sin(2n\pi)) = 0\)
对于\(b_n\)有:\(\lim_{b_n \to +\infty} f(b_n) = \lim_{n \to +\infty} ((2n\pi+\frac{\pi}{2}) \times sin(2n\pi+\frac{\pi}{2})) = +\infty\)
整理上面的分析,最终得到:\(\lim_{n \to + \infty}f(a_n)=0, \lim_{n \to + \infty}f(b_n)=+\infty\)
由于函数在上述两个不同的极限目标时得到的结果不相同,因而原始数列的极限收敛也不是唯一的,因而原始数列极限不存在,完成证明。