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今天我们要证明一个重要的数列极限定理。已知数列a_n满足相邻项比值的极限等于q,且q的绝对值小于1,我们需要证明数列a_n的极限为0。这个定理在判断数列收敛性方面有重要应用。
现在我们来分析已知条件的精确含义。极限等于q意味着,对于任意小的正数ε,存在正整数N,使得当n大于N时,a_{n+1}与a_n的比值与q的差的绝对值小于ε。换句话说,当n足够大时,相邻项的比值可以任意接近q。
现在我们利用条件|q|小于1来构造关键不等式。由于|q|小于1,我们可以选择ε等于(1-|q|)/2,这样|q|加上ε就等于(1+|q|)/2,仍然小于1。设r等于|q|加ε,则0小于r小于1。根据极限定义,当n大于N时,a_{n+1}与a_n比值的绝对值小于r。这个构造是证明的关键步骤。
现在我们建立递推不等式。从|a_{n+1}/a_n|小于r出发,得到|a_{n+1}|小于r乘以|a_n|。继续应用这个不等式,我们有|a_{n+2}|小于r的平方乘以|a_n|,|a_{n+3}|小于r的三次方乘以|a_n|,以此类推。一般地,|a_{n+k}|小于r的k次方乘以|a_n|。这展现了几何级数的衰减特性,随着k增大,r的k次方趋于0。