【數(shù)學(xué)分析】一道簡(jiǎn)單數(shù)列極限的多種解法

前言:今天突然心血來(lái)潮打算開(kāi)這個(gè)坑,大概是記錄自己一些想法和當(dāng)做復(fù)習(xí)筆記的作用,之前已經(jīng)做了兩個(gè)數(shù)學(xué)的視頻,但是做視頻有點(diǎn)累,而且不蹭熱點(diǎn)就沒(méi)什么再生數(shù)。所以這次嘗試用專欄的形式發(fā)出來(lái),隨便使用一下B站專欄的公式編輯功能,更新完全隨緣,既然是第一題,那么就選一個(gè)非常簡(jiǎn)單的問(wèn)題來(lái)講解,(會(huì)用四種不同的方法來(lái)解答)話不多說(shuō),我們開(kāi)始吧(為獲得最佳閱讀體驗(yàn),建議在PC網(wǎng)頁(yè)端瀏覽)。

題目:設(shè),求
分析:為了嚴(yán)謹(jǐn)起見(jiàn),我們先證明收斂.
先作差,有
? ? ? ? ? ? ? ? ? ?
因此單調(diào)遞增.
又因?yàn)?img type="latex" class="latex" src="http://api.bilibili.com/x/web-frontend/mathjax/tex?formula=a_%7Bn%7D%20%3C%5Cfrac%7Bn%7D%7Bn%2B1%7D%20%20%3C1" alt="a_%7Bn%7D%20%3C%5Cfrac%7Bn%7D%7Bn%2B1%7D%20%20%3C1">,所以單調(diào)遞增且有上界,由單調(diào)有界原則,
收斂.
解法一(利用積分的定義)
最簡(jiǎn)單直接的做法,沒(méi)什么好說(shuō)的
解法二(利用常數(shù))
先給出下列命題:
①對(duì)數(shù)不等式:?(當(dāng)
時(shí))
證明:令,注意到
,由
中值定理得,
,其中
介于
與
之間,不等式右端得證.對(duì)于左端使用類似的方法也可證出.當(dāng)且僅當(dāng)
時(shí)兩邊取等號(hào).
取,得
,其中
為正整數(shù)
②數(shù)列收斂
證明:作差,得
? ? ? ? ? ? ? ? ? ??
由①得,,所以
單調(diào)遞減。
同時(shí),
所以單調(diào)遞減且有下界,由單調(diào)有界原則,知
收斂.我們把
的極限記作
,稱為
常數(shù).
因?yàn)?img type="latex" class="latex" src="http://api.bilibili.com/x/web-frontend/mathjax/tex?formula=b_%7B2n%7D%20" alt="b_%7B2n%7D%20">是的子列,所以ta們會(huì)收斂到相同的極限.于是有:
? ? ? ? ? ? ? ?
? ? ? ? ? ? ? ?
解法三(利用夾逼定理)
由解法二的①知,有
化簡(jiǎn),得
又因?yàn)?img type="latex" class="latex" src="http://api.bilibili.com/x/web-frontend/mathjax/tex?formula=%5Clim_%7Bn%5Cto%E2%88%9E%7D%20ln(2n%2B1)-ln(n%2B1)%3D%5Clim_%7Bn%5Cto%E2%88%9E%7Dln(%5Cfrac%7B2n%2B1%7D%7Bn%2B1%7D%20)%3Dln2" alt="%5Clim_%7Bn%5Cto%E2%88%9E%7D%20ln(2n%2B1)-ln(n%2B1)%3D%5Clim_%7Bn%5Cto%E2%88%9E%7Dln(%5Cfrac%7B2n%2B1%7D%7Bn%2B1%7D%20)%3Dln2">
由夾逼定理知
解法四(利用恒等式)
④(恒等式)
設(shè)
則
? ? ? ? ? ?
? ? ? ? ? ?
? ? ? ? ? ?
令,注意到
的
級(jí)數(shù)展開(kāi)為
,收斂域?yàn)?img type="latex" class="latex" src="http://api.bilibili.com/x/web-frontend/mathjax/tex?formula=(-1%2C1%5D" alt="(-1%2C1%5D">,取
,有
所以
參考文獻(xiàn):
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[2]裴禮文.數(shù)學(xué)分析中的典型問(wèn)題與方法[M].北京:高等教育出版社2019.9
[3]謝惠民,惲自求,易法槐,錢定邊.數(shù)學(xué)分析習(xí)題課講義[M].北京:高等教育出版社2018.11
(完)
