数列 x_(n)=n[e(1+(1)/(n))^-n-1],则 lim_(n arrow infty) x_(n)= ______.
数列 $x_{n}=n\left[e\left(1+\frac{1}{n}\right)^{-n}-1\right]$,则 $\lim_{n \rightarrow \infty} x_{n}=$ ______.
题目解答
答案
为求极限 $\lim_{n \to \infty} x_n$,其中 $x_n = n \left[ e \left(1 + \frac{1}{n}\right)^{-n} - 1 \right]$,采用变量代换与泰勒展开法:
步骤一:变量代换
令 $y = \frac{1}{n}$,则当 $n \to \infty$ 时,$y \to 0^+$,原极限转化为:
$\lim_{y \to 0^+} \frac{1}{y} \left[ e (1 + y)^{-\frac{1}{y}} - 1 \right].$
步骤二:对指数部分取对数并展开
考虑 $(1 + y)^{-\frac{1}{y}}$,对其取对数:
$\ln \left( (1 + y)^{-\frac{1}{y}} \right) = -\frac{1}{y} \ln(1 + y).$
利用 $\ln(1 + y) = y - \frac{y^2}{2} + O(y^3)$,得:
$-\frac{1}{y} \ln(1 + y) = -1 + \frac{y}{2} + O(y^2).$
因此,
$(1 + y)^{-\frac{1}{y}} = e^{-1} \cdot e^{\frac{y}{2} + O(y^2)}.$
步骤三:指数函数展开并代回原式
对 $e^{\frac{y}{2} + O(y^2)}$ 使用泰勒展开 $e^z = 1 + z + O(z^2)$,得:
$e^{\frac{y}{2} + O(y^2)} = 1 + \frac{y}{2} + O(y^2),$
所以:
$(1 + y)^{-\frac{1}{y}} = \frac{1}{e} \left(1 + \frac{y}{2} + O(y^2)\right),$
进而:
$e (1 + y)^{-\frac{1}{y}} = 1 + \frac{y}{2} + O(y^2).$
步骤四:计算最终极限
代入极限表达式:
$\lim_{y \to 0^+} \frac{1}{y} \left[ \left(1 + \frac{y}{2} + O(y^2)\right) - 1 \right] = \lim_{y \to 0^+} \left( \frac{1}{2} + O(y) \right) = \frac{1}{2}.$