证明:lim _(narrow infty )(dfrac (1)({n)^2+n+1}+dfrac (2)({n)^2+n+2}+... +dfrac (n)({n)^2+n+n})=dfrac (1)(2)
证明:
题目解答
答案
由于
.而
由夹逼准则可得
故本题得证。
解析
考查要点:本题主要考查数列极限的夹逼准则(海涅定理)的应用,以及对和式进行放缩的能力。
解题核心思路:
- 构造上下界:将和式中的每一项分母进行放大和缩小,得到两个更简单的和式作为原和式的上下界。
- 计算上下界极限:分别求出上下界的极限值,若两者相等,则原和式的极限也为该值。
破题关键点:
- 分母的放缩:对分母 $n^2 + n + k$,当 $k$ 从 $1$ 到 $n$ 时,最小值为 $n^2 + n + 1$,最大值为 $n^2 + 2n$。
- 和式的简化:利用等差数列求和公式 $\sum_{k=1}^n k = \frac{n(n+1)}{2}$,将和式转化为分式形式。
- 极限计算:通过分子分母同除以 $n^2$,化简后取极限。
构造上下界
-
下界构造:
分母取最大值 $n^2 + 2n$,此时每一项 $\frac{k}{n^2 + n + k} \geq \frac{k}{n^2 + 2n}$,因此:
$\sum_{k=1}^n \frac{k}{n^2 + n + k} \geq \frac{1 + 2 + \cdots + n}{n^2 + 2n} = \frac{\frac{n(n+1)}{2}}{n^2 + 2n}$ -
上界构造:
分母取最小值 $n^2 + n + 1$,此时每一项 $\frac{k}{n^2 + n + k} \leq \frac{k}{n^2 + n + 1}$,因此:
$\sum_{k=1}^n \frac{k}{n^2 + n + k} \leq \frac{1 + 2 + \cdots + n}{n^2 + n + 1} = \frac{\frac{n(n+1)}{2}}{n^2 + n + 1}$
计算上下界极限
-
下界极限:
$\lim_{n \to \infty} \frac{\frac{n(n+1)}{2}}{n^2 + 2n} = \lim_{n \to \infty} \frac{n^2/2 + n/2}{n^2 + 2n} = \lim_{n \to \infty} \frac{1/2 + 1/(2n)}{1 + 2/n} = \frac{1}{2}$ -
上界极限:
$\lim_{n \to \infty} \frac{\frac{n(n+1)}{2}}{n^2 + n + 1} = \lim_{n \to \infty} \frac{n^2/2 + n/2}{n^2 + n + 1} = \lim_{n \to \infty} \frac{1/2 + 1/(2n)}{1 + 1/n + 1/n^2} = \frac{1}{2}$
应用夹逼准则
由于上下界的极限均为 $\frac{1}{2}$,根据夹逼准则,原和式的极限也为 $\frac{1}{2}$。