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单调有界准则与递推数列极限

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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ab(a+b2)2ab\le\left(\dfrac{a+b}{2}\right)^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 nn 成立
显然非负/非正每一项都大于 00(或小于 00直接得到下界 00(或上界 00

三、证明单调性的常用手法

方法 1:作差法

计算 xn+1xnx_{n+1}-x_n,判断正负:

  • xn+1xn0x_{n+1}-x_n\ge 0(允许某些项相等)\Rightarrow 数列单调递增;
  • xn+1xn0x_{n+1}-x_n\le 0(允许某些项相等)\Rightarrow 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),x_{n+1}=f(x_n),

f(x)f(x) 的定义域即为 xnx_n 的取值范围。

方法 3、4(辅助了解)

  • 当数列各项不变号时,可看 xn+1xn\dfrac{x_{n+1}}{x_n}11 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(a+b2)2ab\le\left(\dfrac{a+b}{2}\right)^2,得

xn+1=xn(3xn)xn+(3xn)2=32.x_{n+1}=\sqrt{x_n(3-x_n)}\le\frac{x_n+(3-x_n)}{2}=\frac{3}{2}.

又由 x1>0x_1>0xn+1=xn(3xn)>0x_{n+1}=\sqrt{x_n(3-x_n)}>0,知 xn>0x_n>0 对所有 nn 成立。故

0<xn32,n2.0<x_n\le\frac{3}{2},\qquad n\ge 2.

Step 2:证明单调性

计算差值:

xn+1xn=xn(3xn)xn=xn(3xn)xn2xn(3xn)+xn=xn(32xn)xn(3xn)+xn.\begin{aligned} x_{n+1}-x_n &=\sqrt{x_n(3-x_n)}-x_n\\[2mm] &=\frac{x_n(3-x_n)-x_n^2}{\sqrt{x_n(3-x_n)}+x_n}\\[2mm] &=\frac{x_n(3-2x_n)}{\sqrt{x_n(3-x_n)}+x_n}. \end{aligned}

0<xn320<x_n\le\dfrac{3}{2} 时,32xn03-2x_n\ge 0,从而 xn+1xn0x_{n+1}-x_n\ge 0,即 {xn}\{x_n\} 单调递增。

Step 3:求极限

由单调有界准则,limnxn\lim\limits_{n\to\infty}x_n 存在,设为 aa。在递推式两端取极限:

a=a(3a).a=\sqrt{a(3-a)}.

两边平方得 a2=3aa2a^2=3a-a^2,即 2a23a=02a^2-3a=0,解得 a=0a=0a=32a=\dfrac{3}{2}

由于 xn>0x_n>0 且单调递增(从 n=2n=2 起),极限不可能为 00,故

limnxn=32.\lim_{n\to\infty}x_n=\frac{3}{2}.

例 1.89(2006 年数一/二真题)

解答(Ⅰ)

Step 1:证明有界性

0<x1<π0<x_1<\pi,且 xn+1=sinxnx_{n+1}=\sin x_n。当 0<xn<π0<x_n<\pi 时,0<sinxn<xn<π0<\sin x_n<x_n<\pi,因此由数学归纳法得

0<xn+1<xn<π,0<x_{n+1}<x_n<\pi,

{xn}\{x_n\} 单调递减且有下界 00

Step 2:求极限

由单调有界准则,极限存在,设为 aa。在 xn+1=sinxnx_{n+1}=\sin x_n 两端取极限:

a=sina.a=\sin a.

[0,π][0,\pi] 内,方程 a=sinaa=\sin a 的唯一解为 a=0a=0,故

limnxn=0.\lim_{n\to\infty}x_n=0.

解答(Ⅱ)

t=xnt=x_n,当 nn\to\inftyt0t\to 0。于是

limn(xn+1xn)1xn2=limt0(sintt)1t2=limt0exp ⁣[1t2ln(sintt)]=exp ⁣[limt0ln(sint)lntt2].\begin{aligned} \lim_{n\to\infty}\left(\frac{x_{n+1}}{x_n}\right)^{\frac{1}{x_n^2}} &=\lim_{t\to 0}\left(\frac{\sin t}{t}\right)^{\frac{1}{t^2}}\\[2mm] &=\lim_{t\to 0}\exp\!\left[\frac{1}{t^2}\ln\left(\frac{\sin t}{t}\right)\right]\\[2mm] &=\exp\!\left[\lim_{t\to 0}\frac{\ln(\sin t)-\ln t}{t^2}\right]. \end{aligned}

利用等价无穷小:当 t0t\to 0 时,

sintt1=sintttt3/6t=t26,\frac{\sin t}{t}-1=\frac{\sin t-t}{t}\sim\frac{-t^3/6}{t}=-\frac{t^2}{6},

ln(sintt)=ln(1+(sintt1))sintt1t26.\ln\left(\frac{\sin t}{t}\right)=\ln\left(1+\left(\frac{\sin t}{t}-1\right)\right)\sim\frac{\sin t}{t}-1\sim-\frac{t^2}{6}.

因此

limt0ln(sint/t)t2=16,\lim_{t\to 0}\frac{\ln(\sin t/t)}{t^2}=-\frac{1}{6},

从而

limn(xn+1xn)1xn2=e16.\lim_{n\to\infty}\left(\frac{x_{n+1}}{x_n}\right)^{\frac{1}{x_n^2}}=e^{-\frac{1}{6}}.

例 1.90(1996 年数一真题)

解答

f(x)=6+xf(x)=\sqrt{6+x},则 xn+1=f(xn)x_{n+1}=f(x_n)。求导得

f(x)=126+x>0,f'(x)=\frac{1}{2\sqrt{6+x}}>0,

因此 f(x)f(x) 单调递增,从而 {xn}\{x_n\} 必为单调数列。

比较前两项:

x1=10,x2=6+10=4,x_1=10,\qquad x_2=\sqrt{6+10}=4,

由于 x1>x2x_1>x_2,故 {xn}\{x_n\} 单调递减。

又显然 xn>0x_n>0,因此 {xn}\{x_n\} 有下界 00。由单调有界准则,极限存在,设为 aa

在递推式两端取极限:

a=6+a.a=\sqrt{6+a}.

两边平方得 a2=6+aa^2=6+a,即 a2a6=0a^2-a-6=0,解得 a=3a=3a=2a=-2。由于 xn>0x_n>0,舍去 a=2a=-2,故

limnxn=3.\lim_{n\to\infty}x_n=3.

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