单调有界准则与递推数列极限
一、单调有界准则
二、证明有界性的常用手法
| 方法 | 适用场景 | 说明 |
|---|
| 基本不等式放缩 | 出现乘积、和式、根式 | 如 ab≤(2a+b)2;基本不等式的优先级很高 |
| 数学归纳法 | 给出首项信息,便于归纳奠基 | 证明对所有 n 成立 |
| 显然非负/非正 | 每一项都大于 0(或小于 0) | 直接得到下界 0(或上界 0) |
三、证明单调性的常用手法
方法 1:作差法
计算 xn+1−xn,判断正负:
- xn+1−xn≥0(允许某些项相等)⇒ 数列单调递增;
- xn+1−xn≤0(允许某些项相等)⇒ 数列单调递减。
考研中默认是广义单调,即允许相邻两项相等。
方法 2:递推函数求导法(重点)
若递推关系可写成
xn+1=f(xn),
则 f(x) 的定义域即为 xn 的取值范围。
方法 3、4(辅助了解)
- 当数列各项不变号时,可看 xnxn+1 与 1 的大小关系;
- 用数学归纳法证明单调性。
这两种方法在考研中用得较少,了解即可。
四、递推数列求极限的标准流程
五、真题演练
例 1.88(2002 年数二真题)
解答
Step 1:证明有界性
由基本不等式 ab≤(2a+b)2,得
xn+1=xn(3−xn)≤2xn+(3−xn)=23.
又由 x1>0 及 xn+1=xn(3−xn)>0,知 xn>0 对所有 n 成立。故
0<xn≤23,n≥2.
Step 2:证明单调性
计算差值:
xn+1−xn=xn(3−xn)−xn=xn(3−xn)+xnxn(3−xn)−xn2=xn(3−xn)+xnxn(3−2xn).
当 0<xn≤23 时,3−2xn≥0,从而 xn+1−xn≥0,即 {xn} 单调递增。
Step 3:求极限
由单调有界准则,n→∞limxn 存在,设为 a。在递推式两端取极限:
a=a(3−a).
两边平方得 a2=3a−a2,即 2a2−3a=0,解得 a=0 或 a=23。
由于 xn>0 且单调递增(从 n=2 起),极限不可能为 0,故
n→∞limxn=23.
例 1.89(2006 年数一/二真题)
解答(Ⅰ)
Step 1:证明有界性
由 0<x1<π,且 xn+1=sinxn。当 0<xn<π 时,0<sinxn<xn<π,因此由数学归纳法得
0<xn+1<xn<π,
即 {xn} 单调递减且有下界 0。
Step 2:求极限
由单调有界准则,极限存在,设为 a。在 xn+1=sinxn 两端取极限:
a=sina.
在 [0,π] 内,方程 a=sina 的唯一解为 a=0,故
n→∞limxn=0.
解答(Ⅱ)
令 t=xn,当 n→∞ 时 t→0。于是
n→∞lim(xnxn+1)xn21=t→0lim(tsint)t21=t→0limexp[t21ln(tsint)]=exp[t→0limt2ln(sint)−lnt].
利用等价无穷小:当 t→0 时,
tsint−1=tsint−t∼t−t3/6=−6t2,
故
ln(tsint)=ln(1+(tsint−1))∼tsint−1∼−6t2.
因此
t→0limt2ln(sint/t)=−61,
从而
n→∞lim(xnxn+1)xn21=e−61.
例 1.90(1996 年数一真题)
解答
令 f(x)=6+x,则 xn+1=f(xn)。求导得
f′(x)=26+x1>0,
因此 f(x) 单调递增,从而 {xn} 必为单调数列。
比较前两项:
x1=10,x2=6+10=4,
由于 x1>x2,故 {xn} 单调递减。
又显然 xn>0,因此 {xn} 有下界 0。由单调有界准则,极限存在,设为 a。
在递推式两端取极限:
a=6+a.
两边平方得 a2=6+a,即 a2−a−6=0,解得 a=3 或 a=−2。由于 xn>0,舍去 a=−2,故
n→∞limxn=3.
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