學過高數的人,這一輩子都不會忘記這個定理

2021-02-19 超級數學建模

你聽說過

夾逼準則嗎

在之前的文章中,超模君介紹了拓撲中的一個有名定理——火腿三明治定理,聰明的模友們想起了另一個跟它很相似的定理——三明治定理(又叫夾逼準則)。

說起這個定理,超模君立馬回想起當年的高數課堂……

「接下來我們來講一講夾逼準則」,話音剛落,沉浸在睡夢中的同桌突然驚起,接下來如同多米諾骨牌那樣,睡著的同學都醒來了。大家議論紛紛。

「什麼?夾逼?我沒聽錯吧!」男生們露出了史上最純潔的笑容,女生們臉紅耳赤,相信耳聽為虛,眼見為實,可是她們看了看課本後,都希望眼見不一定為實。

好了,那麼它是怎麼來的呢?是誰給他起個這麼汙的名字?

超模君查了很多資料,關於它的歷史不詳,只知道它是最初由阿基米德(Archimedes)和歐多克索斯(Eudoxus)用來計算圓周率π,後來經高斯發展成現在的定理形式。

除了夾逼準則和三明治定理外,它還有許多叫法:兩邊夾定理、夾擠定理、迫斂法、兩個警察和醉囚犯定理等,其中夾擠定理應該是最接近它的英文名字了(Squeeze Theorem)。

通過圓內外接正多邊形的方法求解π(夾逼準則的思想)

說了這麼久,只知其名,不知其所云,我們不能做名詞黨啊!

夾逼準則,說簡單點,就是高中的放縮法(變大變小)加上大學的極限思想。更通俗一點,假如你的哥哥(姐姐)和弟弟(妹妹)都是同一天出生的,那麼證明你也是那天出生,並且你們是三胞胎。

我們先來看一個小慄子,再給出夾逼準則的定義。

首先在圖像上畫出下面的三兄弟:

它們是有大小關係的,其中h是老大,g是老二,f最小,是老三。雖然三娃性格差異較大,但總有共同點,畢竟是同一個媽生(坐標軸)。

為了找出這個共同點,我們取一下在x=2這點處的極限(也就是讓一個點無限靠近2所對應的函數值)。我們先來計算老大h(x)和老三f(x),由圖像可以觀察到,在x=2處的極限值就等於該點的函數值,我們馬上可以知道:

於是我們得到了這個共同點,就是點F(2,1)。或許有人會問,怎麼不用計算老二的極限值呢?這就引出了我們的主角——夾逼準則

我們用西遊記來總結一下上面的定理:

八戒有難,呼叫悟空和沙憎。

兄弟同心,斬除妖魔救八戒。

大意是:g(x)的極限求不出來(八戒有難),可以找到他的老大(孫悟空)和老三(沙憎),只要它們兩個的極限算出來了(一起斬除妖魔),那麼g(x)的極限自然出來了(八戒自然獲救)。

雖然夾逼準則這個名字簡單易記,但是它所解決的難題,都是那種面目猙獰、身材魁梧的變態題目,利用它在繁瑣的表達式中迅速掌握對手的命門,化繁為簡,以奪命剪刀腳緊緊將對手夾在中間,使其無力反抗,只好跪地投降!

我們來看一個慄子,大家可以動動腦筋思考一下:

二話不說,先寫一個解字。第一眼看上去,無法直接代入,第二眼看上去,無法化簡,第三眼,不看了,想打出題老師。別急,當遇到難題的時候,記得找老大和老三。首先這個和有n項,我們比較它們每一項的大小,可以發現:原來老大和老三就在身邊!

老大在,仿佛看到了勝利的曙光。現在,我們把每一項都看作老大,然後每一項都看作老三,這樣就形成了三兄弟關係鏈(本質上利用了放縮法)

兄弟同心,其利斷金,極限神馬的,放馬過來吧!

對上式的左右兩端取極限,得到都是1,由夾逼準則,立即推,原極限也為1。搞定。

下面兩組圖是使用夾逼準則的經典極限(令x趨於0),模友們看出來了嗎?

看完夾逼準則的故事,再來看看超模君的創意之作!數學史上傳奇的數學家們,只要數學能力夠強,什麼都能給你造出來。關注回復「數學」免費觀看6部經典趣味數學紀錄片關注回復「自然」免費觀看6部經典自然紀錄片關注回復「建模」免費領取數學建模學習大全

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