千呼万唤始出来,犹抱域套半遮面——高数污王登场!

 

它就是老大,不服来辩啊...





它就是老大


不服来辩啊

老二拉格朗日中值定理(传送门)登场的时候,通过留言超模君知道很多模友都猜中了老大,没错,就是 闭 域 套 定 理

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千呼万唤始出来,犹抱域套半遮面,你知不知道,我等到花儿都谢了!//

那么,闭域套定理是如何击败夹逼准则和拉格朗日中值定理,登上污王的宝座呢?请看:
孙悟空拔一根猴毛,吹出5个小猴子


我们的闭域套定理也有这个技能,弹指一挥间,它就能变出(推出)五个小兄弟:单调有界定理、确界原理、柯西收敛准则、聚点定理、有限覆盖定理

所谓实数完备性六大基本定理,它们之间的互推成了数学专业考研的“噩梦”!




事不宜迟,现在就来揭开老大的神秘面纱吧。当然不是每个人都有这个权利,我们请来了能说会道的闭区间套(闭域套)先生,他给我们讲了一个“有趣”的故事:

从前有座山,山上有座庙,庙里有个老和尚和一个小和尚,有一天,老和尚对小和尚说:从前有座山,山上有座庙,庙里有个老和尚和一个小和尚,有一天,老和尚对小和尚说:从前有座山,山上有座庙,庙里有个老和尚和一个小和尚,有一天,老和尚对小和尚说.......(陷入无限循环中)
看似简单的故事,实际上蕴含着闭域套先生的丰富内涵:

在故事开头,山好比是第(1)个闭区间,庙好比是第(2)个闭区间,里面两个和尚就是闭区间(3)。老和尚对小和尚说的话中的山好比闭区间(4),话中的庙好比闭区间(5)……如此反复下去,到什么时候才停止呢?
在上图中我们可以看到,当闭区间一个套一个,会不会有某个闭区间的长度是0呢?也就是故事到此结束,这就戳中了闭域套先生的“累点”,他的确有这个性质。
既然出现了极限,超模君想,如果把bn-an单独拆开,an的极限存在吗?跟bn的极限又会是相等吗?


让我们的老大来告诉你,这不是tan90°,也不是56阶单群(PS:56阶单群是不存在的,所以这个梗跟tan90°是一样的)。
换句话说,无论你的故事里有多少座山,多少座庙,多少个老和尚还是小和尚,总有一个时刻,该故事会画上圆满句号,或者说故事必有结局。

到这里,或许有模友就疑惑了:好好的闭区间,为何给它一个“闭域套”这么污的名字?

这你就不懂老大了,正所谓白道黑道都有人罩,才是幕后的老大。
《疯狂动物城》中的“老大”



老大的背后,可是被推广成更庞大的定理:闭长方体套定理(3维情形也称中国盒定理),闭球套定理,闭区域套定理,闭集套定理……

从简单的闭区间套,到我们还可以想象的闭长方体套,闭球体套 ,再到难以想象的Rn上的闭区域套,超乎想象的完备度量空间上的闭集套,这中间经历了多少风风雨雨,依然是一个套着一个,无论直径怎么变化,那个唯一的点,始终藏在灯火阑珊处。

就好比那个最真挚的人,哪怕生活多少变化,自始至终与你十指相扣,陪你慢慢地走向幸福的终点站。
看不懂这深奥的甜言蜜语?没关系,来个恋爱例题练练手:

设一个男生正在追求一个女生。

他每次会为自己设定一个表白的最早时刻和表白的最晚时刻,且每次设定的最早时刻都比上一次设定的晚,每次设定的最晚时刻都比上一次设定的早。

如果每次所设定的这两个时刻越来越接近直至几乎重合,那么该男生存在唯一的脱单时刻。



那么,有了闭域套定理,就可以安全地和拉格朗日中值定理睡觉了!看看在床上的闭域套定理是怎么推倒(推导)拉格朗日中值定理吧(单纯点也可以理解为老大吹出的猴毛中有一根是老二)。


首先我们可以回想一下老二(传送门),看看老二是长什么样的。

我们先给出一个引理:
超模君想通过图像直接验证,但是弄了好久,还是有误差
最后决定放弃图像法,用理论计算来证明吧(FBI WARNING:以下内容难度较大,涉及数学分析基本方法,需要大量思考)

我们构造一个函数:
这是啥呀!先别急,我们看看两个特殊点的函数值


咦,这两个点的函数值恰好是相反数!正是利用这个特点,我们分两种情况讨论

Case 1:
动动手指头计算一下,得到
这不就证明了么~

Case 2:
这样就证明完了我们需要的引理,怎么样,是不是很简单?

有了这个引理,就可以很好地召唤闭区间套,来证明拉格朗日中值定理了!

反复利用这个引理,可以得到闭区间套{[an,bn]},并且它们满足下面三条性质(请记住第三条)
有了闭区间套,老大可以派上用场了,利用闭域套定理,必有
回想一下拉格朗日中值定理的前提条件,很容易知道

中途休息,我们来翻一下淑芬或高树课本,回忆无穷小的知识点……
上面两个式子相减,再同除以bn-an得到
好了,有了这个式子,离拉格朗日中值定理,也就是我们的老二不远了,一瞪眼儿就可以看出等式右边后两项的极限为0(当然也可以留给聪明的模友们思考)

最后得到一个简化版的柿子
不知道大家是否还记得上面闭区间套{[an,bn]}的第三条性质,这,这不就是老二了嘛!
证毕!


如果说,你是海上的烟火,我是浪花的泡沫……不好意思,唱错台词了!如果说老大没有用到夹逼(老三)的思想,那就太天真了,老大可是包罗万象的。

我们构造一个数列cn,称它为小鲜肉,从出生那天(n=1代表一岁)开始,它就围绕在父母(an和bn)爱的怀抱之下:

如果父母还为小鲜肉建立了一座温室套房({[an,bn]}是闭区间套),这时老大闭区间套定理和老三夹逼定理告诉我们:

小鲜肉cn的极限是存在的,并且和an与bn的极限是一致的。虽然有一天小鲜肉会长大成大肥肉,想脱离父母的爱,但是他们做不到,始终心系孩儿,哪怕尽一份力,也要给予全部的爱。

到此为止,一下子把老二老三握在五指之中的闭域套定理,特别是证明老二的时候,闭域套定理使出了浑身解数。老大,它当之无愧吧!
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