计算:underset(lim)(n→∞)(1)/(n)[sin(π)/(n)+sin(2π)/(n)+…+sin((n-1)π)/(n)].
题目解答
答案
=$\underset{lim}{n→∞}$$\frac{1}{π}$$\sum_{i=0}^{n-1}sin\frac{iπ}{n}•\frac{π}{n}$
=$\frac{1}{π}$${∫}_{0}^{π}sinxdx$
=$\frac{1}{π}$(-cosx)${|}_{0}^{π}$
=$\frac{1}{π}$•[(-cosπ)-(-cos0)]
=$\frac{2}{π}$.
解析
考查要点:本题主要考查数列极限与定积分的关系,需要将求和表达式转化为定积分形式进行计算。
解题核心思路:
当$n$趋近于无穷大时,求和式$\frac{1}{n}\sum_{k=1}^{n-1}\sin\left(\frac{k\pi}{n}\right)$可以近似为积分。关键在于识别出求和的结构与黎曼和的对应关系,通过调整系数将求和转化为定积分$\int_{0}^{\pi}\sin x \, dx$。
破题关键点:
- 变量替换:令$x_k = \frac{k\pi}{n}$,则$\Delta x = \frac{\pi}{n}$,求和步长对应积分的小区间宽度。
- 系数调整:原式中的$\frac{1}{n}$需转化为积分中的$\frac{1}{\pi} \cdot \frac{\pi}{n}$,从而匹配定积分形式。
步骤1:构造黎曼和
将原式改写为:
$\frac{1}{n} \sum_{k=1}^{n-1} \sin\left(\frac{k\pi}{n}\right) = \frac{1}{\pi} \sum_{k=1}^{n-1} \sin\left(\frac{k\pi}{n}\right) \cdot \frac{\pi}{n}.$
此时,$\frac{\pi}{n}$是积分的小区间宽度$\Delta x$,$\frac{k\pi}{n}$是积分点$x_k$,求和形式对应定积分的黎曼和。
步骤2:取极限转化为积分
当$n \to \infty$时,黎曼和趋近于定积分:
$\lim_{n \to \infty} \frac{1}{\pi} \sum_{k=1}^{n-1} \sin\left(\frac{k\pi}{n}\right) \cdot \frac{\pi}{n} = \frac{1}{\pi} \int_{0}^{\pi} \sin x \, dx.$
步骤3:计算积分
$\int_{0}^{\pi} \sin x \, dx = -\cos x \Big|_{0}^{\pi} = -\cos\pi + \cos 0 = -(-1) + 1 = 2.$
步骤4:最终结果
将积分结果代入:
$\frac{1}{\pi} \cdot 2 = \frac{2}{\pi}.$