题目
(17) (本题满分10分)设a>0,x_(1)>0,x_(n+1)=(1)/(3)(2x_(n)+(a)/(x_(n)^2)),n=1,2,….证明数列(x_{n)}收敛,并求其极限.
(17) (本题满分10分)
设a>0,$x_{1}>0$,$x_{n+1}=\frac{1}{3}(2x_{n}+\frac{a}{x_{n}^{2}})$,n=1,2,….证明数列{$x_{n}$}收敛,并求其极限.
题目解答
答案
设 $a > 0$,$x_1 > 0$,递推式为 $x_{n+1} = \frac{1}{3}\left(2x_n + \frac{a}{x_n^2}\right)$。
步骤1:猜测极限
假设极限为 $L$,则 $L = \frac{1}{3}\left(2L + \frac{a}{L^2}\right)$,解得 $L = \sqrt[3]{a}$。
步骤2:证明收敛
定义函数 $f(x) = \frac{1}{3}\left(2x + \frac{a}{x^2}\right)$,其导数为 $f'(x) = \frac{2}{3} - \frac{2a}{3x^3}$。
令 $f'(x) = 0$,得 $x = \sqrt[3]{a}$,且 $f(x)$ 在 $x = \sqrt[3]{a}$ 处取得最小值 $f(\sqrt[3]{a}) = \sqrt[3]{a}$。
- 有界性:由 $f(x) \geq \sqrt[3]{a}$,知 $x_n > 0$ 且 $x_{n+1} \geq \sqrt[3]{a}$。
- 单调性:
- 若 $x_1 \geq \sqrt[3]{a}$,则 $x_{n+1} \leq x_n$(递减)。
- 若 $x_1 < \sqrt[3]{a}$,则 $x_2 \geq \sqrt[3]{a}$,后续递减。
结论:数列收敛于 $\sqrt[3]{a}$。
$\boxed{\sqrt[3]{a}}$
解析
本题主要考查数列收敛性的证明以及极限的求解。解题思路是先通过假设数列收敛求出极限的可能值,再利用函数的性质证明数列的有界性和单调性,进而证明数列收敛,最后得出极限值。
- 猜测极限:
假设数列$\{x_n\}$收敛,设其极限为$L$。因为$\lim\limits_{n \to \infty} x_{n + 1} = \lim\limits_{n \to \infty} x_n = L$,那么对递推式$x_{n + 1} = \frac{1}{3}(2x_n + \frac{a}{x_n^2})$两边同时取极限$n \to \infty$,可得:
$L = \frac{1}{3}(2L + \frac{a}{L^2})$
等式两边同时乘以$3L^2$去分母得:
$3L^3 = 2L^3 + a$
移项可得:
$3L^3 - 2L^3 = a$
即$L^3 = a$
因为$a>0$,所以解得$L = \sqrt[3]{a}$。 - 证明收敛:
- 定义函数并求导:
定义函数$f(x) = \frac{1}{3}(2x + \frac{a}{x^2})$,$x>0$。
根据求导公式$(X^n)^\prime=nX^{n - 1}$对$f(x)$求导:
$f^\prime(x) = \frac{1}{3}(2 - \frac{2a}{x^3}) = \frac{2}{3} - \frac{2a}{3x^3}$ - 求函数的极值点:
令$f^\prime(x) = 0$,即$\frac{2}{3} - \frac{2a}{3x^3} = 0$,等式两边同时乘以$3x^3$得:
$2x^3 - 2a = 0$
移项可得$2x^3 = 2a$,即$x^3 = a$,解得$x = \sqrt[3]{a}$。
再对$f^\prime(x)$求导判断$x = \sqrt[3]{a}$是极大值点还是极小值点,$f^{\prime\prime}(x)=\frac{2a}{x^4}$,当$x = \sqrt[3]{a}$时,$f^{\prime\prime}(\sqrt[3]{a})=\frac{2a}{(\sqrt[3]{a})^4}>0$,所以$f(x)$在$x = \sqrt[3]{a}$处取得最小值。
将$x = \sqrt[3]{a}$代入$f(x)$可得:
$f(\sqrt[3]{a}) = \frac{1}{3}(2\sqrt[3]{a} + \frac{a}{(\sqrt[3]{a})^2}) = \frac{1}{3}(2\sqrt[3]{a} + \sqrt[3]{a}) = \sqrt[3]{a}$ - 证明数列的有界性:
已知$x_1>0$,由$f(x) \geq \sqrt[3]{a}$,可得$x_{n + 1} = f(x_n) \geq \sqrt[3]{a}>0$,所以数列$\{x_n\}$有下界$\sqrt[3]{a}$。 - 证明数列的单调性:
对$f^\prime(x) = \frac{2}{3} - \frac{2a}{3x^3}$进行分析,当$x \geq \sqrt[3]{a}$时,$x^3 \geq a$,则$\frac{2a}{3x^3} \leq \frac{2}{3}$,所以$f^\prime(x) \leq 0$,即$f(x)$在$[\sqrt[3]{a}, +\infty)$上单调递减。
若$x_1 \geq \sqrt[3]{a}$,则$x_{n + 1} = f(x_n) \leq f(x_{n - 1}) = x_n$,所以数列$\{x_n\}$单调递减。
若$x_1 < \sqrt[3]{a}$,则$x_2 = f(x_1) \geq \sqrt[3]{a}$,那么从第二项起数列单调递减。 - 得出收敛结论:
根据单调有界准则,单调递减且有下界的数列收敛,所以数列$\{x_n\}$收敛,且收敛于其下界$\sqrt[3]{a}$。
- 定义函数并求导: