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Calculus · real student question

求 x 从右侧趋于 0 时 1/x − ⌊1/x⌋ 的极限,其中 ⌊ ⌋ 表示取整(下取整)函数。

Question

计算

lim⁡x→0+(1x−⌊1x⌋)\lim_{x \to 0^{+}} \left(\frac{1}{x} - \left\lfloor \frac{1}{x} \right\rfloor\right)

Step-by-step solution

  1. 先认出这就是小数部分。 对任意实数 tt,t−⌊t⌋t - \lfloor t \rfloor 就是小数部分 {t}\{t\},它恒满足 0≤{t}<10 \le \{t\} < 1。所以整个式子就是 {1x}\left\{\tfrac1x\right\},被困在 [0,1)[0,1) 内——但有界本身从来都不能证明极限存在。

  2. 看看内层函数在做什么。 当 x→0+x \to 0^{+} 时 1x→+∞\tfrac1x \to +\infty。一个奔向无穷的量,它的小数部分会一遍又一遍地扫过 [0,1)[0,1),每增加一个单位就扫一遍——而 1x\tfrac1x 是无界增长的,所以在任何区间 (0,δ)(0,\delta) 上它都要扫无穷多遍。

  3. 造一个取值恒为 0 的数列。 取 xn=1nx_n = \tfrac{1}{n}(nn 为整数),这时 1xn=n\tfrac{1}{x_n} = n 是整数,于是

    1xn−⌊1xn⌋=n−n=0\frac{1}{x_n} - \left\lfloor \frac{1}{x_n} \right\rfloor = n - n = 0

    而且 xn→0+x_n \to 0^{+}。

  4. 再造一个取值恒为 1/2 的数列。 取 yn=1n+12y_n = \dfrac{1}{n + \tfrac12},这时 1yn=n+12\tfrac{1}{y_n} = n + \tfrac12,它的整数部分是 nn,于是

    1yn−⌊1yn⌋=12\frac{1}{y_n} - \left\lfloor \frac{1}{y_n} \right\rfloor = \frac12

    同样有 yn→0+y_n \to 0^{+}。

  5. 用归结原则下结论。 如果极限存在且等于 LL,那么任何趋于 0+0^{+} 的数列都必须把函数值逼到 LL。可这两个数列分别给出 00 和 12\tfrac12,所以这样的 LL 不存在:

    lim⁡x→0+(1x−⌊1x⌋) 不存在\lim_{x \to 0^{+}} \left(\frac{1}{x} - \left\lfloor \frac{1}{x} \right\rfloor\right) \text{ 不存在}

    事实上,对任意 c∈[0,1)c \in [0,1) 取 x=1n+cx = \tfrac{1}{n + c} 都能让函数值恰好等于 cc,所以 [0,1)[0,1) 中的每一个数都是子列极限。

Answer

极限不存在;在 0 的任意右邻域内,取值填满 [0,1)\text{极限不存在;在 } 0 \text{ 的任意右邻域内,取值填满 } [0,1)

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