3.lim_(ntoinfty)(1+frac(1)/(2)+(1)/(4)+...+(1)/(2^n))(1+(1)/(3)+(1)/(9)+...+(1)/(3^n))=_.
题目解答
答案
分子为等比数列 $1 + \frac{1}{2} + \frac{1}{4} + \cdots + \frac{1}{2^n}$,其和为
$\frac{1 - \frac{1}{2^{n+1}}}{1 - \frac{1}{2}} = 2\left(1 - \frac{1}{2^{n+1}}\right).$
分母为等比数列 $1 + \frac{1}{3} + \frac{1}{9} + \cdots + \frac{1}{3^n}$,其和为
$\frac{1 - \frac{1}{3^{n+1}}}{1 - \frac{1}{3}} = \frac{3}{2}\left(1 - \frac{1}{3^{n+1}}\right).$
当 $n \to \infty$ 时,$\frac{1}{2^{n+1}} \to 0$,$\frac{1}{3^{n+1}} \to 0$,故原式极限为
$\lim_{n \to \infty} \frac{2\left(1 - \frac{1}{2^{n+1}}\right)}{\frac{3}{2}\left(1 - \frac{1}{3^{n+1}}\right)} = \frac{2}{\frac{3}{2}} = \frac{4}{3}.$
答案: $\boxed{\frac{4}{3}}$
解析
考查要点:本题主要考查等比数列求和公式的应用以及极限的计算。关键在于识别分子和分母均为等比数列的前$(n+1)$项和,并利用公式化简后求极限。
解题思路:
- 识别等比数列:分子是首项为$1$、公比为$\frac{1}{2}$的等比数列;分母是首项为$1$、公比为$\frac{1}{3}$的等比数列。
- 应用求和公式:分别用等比数列求和公式计算分子和分母的和。
- 求极限:当$n \to \infty$时,公比绝对值小于$1$,因此高次项趋近于$0$,代入化简后求比值。
分子部分
分子为等比数列$1 + \frac{1}{2} + \frac{1}{4} + \cdots + \frac{1}{2^{n}}$,首项$a_1 = 1$,公比$r = \frac{1}{2}$,共有$n+1$项。
根据等比数列求和公式:
$S_{\text{分子}} = \frac{1 - \left(\frac{1}{2}\right)^{n+1}}{1 - \frac{1}{2}} = \frac{1 - \frac{1}{2^{n+1}}}{\frac{1}{2}} = 2\left(1 - \frac{1}{2^{n+1}}\right).$
分母部分
分母为等比数列$1 + \frac{1}{3} + \frac{1}{9} + \cdots + \frac{1}{3^{n}}$,首项$a_1 = 1$,公比$r = \frac{1}{3}$,共有$n+1$项。
根据等比数列求和公式:
$S_{\text{分母}} = \frac{1 - \left(\frac{1}{3}\right)^{n+1}}{1 - \frac{1}{3}} = \frac{1 - \frac{1}{3^{n+1}}}{\frac{2}{3}} = \frac{3}{2}\left(1 - \frac{1}{3^{n+1}}\right).$
求极限
将分子和分母的和代入原式:
$\lim_{n \to \infty} \frac{2\left(1 - \frac{1}{2^{n+1}}\right)}{\frac{3}{2}\left(1 - \frac{1}{3^{n+1}}\right)}.$
当$n \to \infty$时,$\frac{1}{2^{n+1}} \to 0$,$\frac{1}{3^{n+1}} \to 0$,因此:
$\lim_{n \to \infty} \frac{2 \cdot 1}{\frac{3}{2} \cdot 1} = \frac{2}{\frac{3}{2}} = \frac{4}{3}.$