数列极限的三种求法

摘 要 本文介绍三种求数列极限的方法,主要有施笃兹法、比值法、级数求和法,同时,通过适当的例子讨论了这些方法的特点、适用范围、要注意的问题等等。对同学求数列极限有非常好的指导、借鉴作用。

关键词 数列极限;施笃兹法;级数求和

一、引言

极限是分析数学中最基本的概念之一,用以描述变量在一定的变化过程中的终极状态。公元前5世纪,希腊数学家安提丰(Antiphon)在研究化圆为方问题时创立了割圆术,即从一个简单的圆内接正多边形(正方形、正六边形)出发,把每边所对的圆弧二等分,联结分点,得到一个边数加倍的圆内接正多边形,当重复这一步骤足够多次时,所得圆内接正多边形面积与圆面积之差将小于任何给定的限度。在我国古代,朴素的、直观的极限思想也有记载。例如,中国古代的《墨经》中载有“穷,或有前,不容尺也”,《庄子·天下》中载有“一尺之棰,日取其半,万世不竭”,公元3世纪我国数学家刘徽创立的割圆术,其中都包含了深刻的极限思想。极限是现代数学分析奠基的基本概念,函数的连续性、导数、积分以及无穷级数的和等都是用极限来定义的。可见,研究数列极限是十分有意义的。在数学分析中介绍了很多求数列极限的方法,常见的有:定义法、数列求和法、定积分定义法、单调有界原理、同限夹挤定理等。上述方法在求常见的数列极限时比较有效,但遇到一些特殊的数列就很难求出、甚至无从下手。为此我们介绍三种特殊的求极限的方法主要有施笃兹法、比值法、级数求和法。这些方法对于求一些特殊的数列极限有很重要的作用。

二、数列极限的三种求法

1.施笃兹法

施笃兹法被称为求数列极限的洛必达法则,对一些不能用上述洛必达法则方法求的数列极限如■■,有时可用下面施笃兹法。

命题1(施笃兹法)给定数列Tn可以写成Tn=■且■yn=∞,y■>y■,若■■存在,则■=■■。

例1 求■■

解令y■=1■+3■+……+(2n-1)■,z■=2■+4■+……+(2n)■

显然z■→∞,z■>z■满足施笃兹定理,从而有

■■=■■=1

2.比值法

一般来说,n次根式的数列极限■■比较难求,我们通过下面的命题2将一些n次根式的数列极限转化为较为简单的比值数列极限■■来处理,能起到很好效果。

命题2 设an>0若■■=l,则■■=l

例2 求■■

解令a■=■,

由于■■=■■·■=1

由命题2有■■=■■=l

3.级数求和法

当被求数列的极限中的数列是n项和构成时,一般考虑先求和再求极限,但有时数列的,项和比较难求如x■=1-■+■-……+(-1)■■我们可把它作为幂级数在某点的值,通过幂级数和的方法,例如对幂级数求导、积分等方法来求数列的n项和,这样可以很方便求出n项和数列的极限,甚至是一些较为复杂的n项和数列的极限。

有时还可以用泰勒展式求数列的极限。

例3 求■(1-1-■+■-……+(-1)■■)

解作幂级数s(x)=■(-1)■■,显然我们要求的数列即为幂级数s(x)在x=1处的值,又易知级数的收敛区间为(-1,+1】所以s(x)在x=1处的值有意义.,下面求幂级数s(x),

两边求导则有s(x)=■(-1)■■=■,

两边积分有s(x)=■■dt=1n(1+x),

所以■(1-1-■+■-……+(-1)■■)=■(-1)■|x=1=s(1)=ln2

例4 求■(1+1+■+■……+■)

解 因为ex的泰勒展式为e■=1+x+■+……+■+……

而ex在x=1时,e■=1+1+■+■……+■+……

所以■(1+1+■+■……+■)=■■=e■=e

参考文献:

[1]李大华.大学数学2000题第2版[M].湖北武汉,华中科技大学出版社,2001

[2]李成章,黄玉民.数学分析第4版(上)[M].天津,科学出版社,1999

[3]刘玉链,付沛仁.数学分析讲义[M].吉林长春,高等教育出版社,2003

[4]华东师大数学系.数学分析第3版(上)[M].上海,高等教育出版社,2001

[5]费定晖,周学圣.数学分析习题集题解第2版[M].山东济南,山东科技出版社,2001

作者简介:马冬文,男,江西工业贸易职业技术学院教师,主要从事高等数学、线性代数及概率论方面的教学。