题目
5.【24贵州】计算极限lim_(ntoinfty)[1+(1)/(3)+(1)/(6)+...+(2)/(n(n+1))]
5.【24贵州】计算极限$\lim_{n\to\infty}\left[1+\frac{1}{3}+\frac{1}{6}+\cdots+\frac{2}{n(n+1)}\right]$
题目解答
答案
将通项 $\frac{2}{k(k+1)}$ 分解为部分分数:
$\frac{2}{k(k+1)} = 2\left(\frac{1}{k} - \frac{1}{k+1}\right)$
原和式变为:
$\sum_{k=1}^n \frac{2}{k(k+1)} = 2\sum_{k=1}^n \left(\frac{1}{k} - \frac{1}{k+1}\right)$
该级数可缩放,简化为:
$2\left(1 - \frac{1}{n+1}\right)$
当 $n \to \infty$ 时,$\frac{1}{n+1} \to 0$,故极限为:
$\lim_{n \to \infty} 2\left(1 - \frac{1}{n+1}\right) = 2$
答案: $\boxed{2}$
解析
本题考查数列极限的计算,解题的关键思路是先对数列的通项公式进行裂项相消,化简求和式,再求极限。
- 对通项公式进行裂项:
已知数列的通项公式为$\frac{2}{k(k + 1)}$,将其分解为部分分数,根据分式裂项的方法$\frac{1}{k(k + 1)}=\frac{1}{k}-\frac{1}{k + 1}$,可得$\frac{2}{k(k + 1)} = 2\left(\frac{1}{k} - \frac{1}{k + 1}\right)$。 - 化简求和式:
原和式$1+\frac{1}{3}+\frac{1}{6}+\cdots+\frac{2}{n(n + 1)}$可表示为$\sum_{k = 1}^{n}\frac{2}{k(k + 1)}$,把$\frac{2}{k(k + 1)} = 2\left(\frac{1}{k} - \frac{1}{k + 1}\right)$代入可得:
$\sum_{k = 1}^{n}\frac{2}{k(k + 1)} = 2\sum_{k = 1}^{n}\left(\frac{1}{k} - \frac{1}{k + 1}\right)$
展开$2\sum_{k = 1}^{n}\left(\frac{1}{k} - \frac{1}{k + 1}\right)$:
当$k = 1$时,$\frac{1}{1}-\frac{1}{2}$;
当$k = 2$时,$\frac{1}{2}-\frac{1}{3}$;
当$k = 3$时,$\frac{1}{3}-\frac{1}{4}$;
$\cdots$
当$k = n$时,$\frac{1}{n}-\frac{1}{n + 1}$。
可以发现相邻两项可以相互抵消,最终得到$2\left(1 - \frac{1}{n + 1}\right)$。 - 求极限:
要求$\lim_{n\to\infty}\left[1+\frac{1}{3}+\frac{1}{6}+\cdots+\frac{2}{n(n + 1)}\right]$,即求$\lim_{n\to\infty}2\left(1 - \frac{1}{n + 1}\right)$。
根据极限的运算法则$\lim_{n\to\infty}(a\cdot b)=a\cdot\lim_{n\to\infty}b$($a$为常数),可得$\lim_{n\to\infty}2\left(1 - \frac{1}{n + 1}\right)=2\lim_{n\to\infty}\left(1 - \frac{1}{n + 1}\right)$。
又因为$\lim_{n\to\infty}1 = 1$,$\lim_{n\to\infty}\frac{1}{n + 1} = 0$,再根据极限的运算法则$\lim_{n\to\infty}(a - b)=\lim_{n\to\infty}a-\lim_{n\to\infty}b$,可得$2\lim_{n\to\infty}\left(1 - \frac{1}{n + 1}\right)=2\left(\lim_{n\to\infty}1 - \lim_{n\to\infty}\frac{1}{n + 1}\right)=2\times(1 - 0)=2$。