2022年考研数学三第2题

选择题 · 5分

📝 题目

已知 $a_n=\sqrt[n]{n}-\displaystyle\frac{(-1)^n}{n}(n=1,2,\ldots)$ ,则 $\{a_n\}$

A
有最大值,有最小值
B
有最大值,没有最小值
C
没有最大值,有最小值
D
没有最大值,没有最小值

💡 答案解析

**答案**: 见解析

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**解析**:

由已知 $E(X)=\theta=\displaystyle\frac{1}{\lambda_{1}} \Rightarrow \lambda_{1}=\displaystyle\frac{1}{\theta}, E(Y)=2 \theta=\displaystyle\frac{1}{\lambda_{2}} \Rightarrow \lambda_{2}=\displaystyle\frac{1}{2 \theta}$ , 所以总体 $X \sim E\left(\displaystyle\frac{1}{\theta}\right), Y \sim E\left(\displaystyle\frac{1}{2 \theta}\right)$ ,从而可得

$$ f_{X}(x)=\left\{\begin{array}{ll} \frac{1}{\theta} \mathrm{e}^{-\frac{x}{\theta}}, & x\gt 0, \\ 0, & x \leq 0 . \end{array} \quad f_{Y}(y)= $\begin{cases}\frac{1}{2 \theta} \mathrm{e}^{-\frac{y}{2 \theta}}, & y\gt 0, \\ 0, & y \leq 0 .\end{cases}\right. $$

设 $x_{1}, x_{2}, \cdots, x_{n}, y_{1}, y_{2}, \cdots, y_{m}$ 为样本 $X_{1}, X_{2}, \cdots, X_{n}, Y_{1}, Y_{2}, \cdots, Y_{m}$ 的观测值,且样本相互独立,则似然函数为

$$ L(\theta)= $\begin{cases}\frac{1}{2^{m}} \frac{1}{\theta^{n+m}} \mathrm{e}^{-\frac{2 \sum_{i=1}^{n} x_{i}+\sum_{j=1}^{m} y_{j}}{2 \theta}}, & x_{i}, y_{j}\gt 0(i=1,2, \cdots, n ; j=1,2, \cdots, m), \\ 0, & \text { 其它. }\end{cases} $$

当 $x_{1}, x_{2}, \cdots, x_{n}, y_{1}, y_{2}, \cdots, y_{m}\gt 0$ 时,似然函数两边取对数

$$ \ln L(\theta)=-m \ln 2-(n+m) \ln \theta-\frac{2 \sum_{i=1}^{n} x_{i}+\sum_{j=1}^{m} y_{j}}{2 \theta}, $$

令 $\displaystyle\frac{\mathrm{d} \ln L(\theta)}{\mathrm{d} \theta}=-\displaystyle\frac{n+m}{\theta}+\displaystyle\frac{2 \displaystyle\sum_{i=1}^{n} x_{i}+\displaystyle\sum_{j=1}^{m} y_{j}}{2 \theta^{2}}=0$ ,解得 $\theta=\displaystyle\frac{2 \displaystyle\sum_{i=1}^{n} x_{i}+\displaystyle\sum_{j=1}^{m} y_{j}}{2(n+m)}$ ,

故 $\theta$ 的最大似然估计量为 $\hat{\theta}=\displaystyle\frac{2 \displaystyle\sum_{i=1}^{n} X_{i}+\displaystyle\sum_{j=1}^{m} Y_{j}}{2(n+m)}$ . 由 $X \sim E\left(\displaystyle\frac{1}{\theta}\right), Y \sim E\left(\displaystyle\frac{1}{2 \theta}\right)$ ,则 $D(X)=\theta^{2}, D(Y)=4 \theta^{2}$ , 则 $D(\hat{\theta})=\displaystyle\frac{1}{4(n+m)^{2}} D\left(2 \displaystyle\sum_{i=1}^{n} X_{i}+\displaystyle\sum_{j=1}^{m} Y_{j}\right)=\displaystyle\frac{1}{4(n+m)^{2}}\left(4 n \cdot \theta^{2}+m \cdot 4 \theta^{2}\right)=\displaystyle\frac{\theta^{2}}{n+m}$ .

📋 详细解题步骤

步骤 1/5
目标:分析√[n]{n}的单调性与极限
为了分析数列 $\sqrt[n]{n}$(即 $n^{1/n}$)的单调性与极限,我们首先考虑对应的连续函数 $f(x) = x^{1/x}$,其中 $x > 0$。对 $f(x)$ 取自然对数,得到 $\ln f(x) = \frac{\ln x}{x}$。对等式两边关于 $x$ 求导:$\frac{f'(x)}{f(x)} = \frac{1 - \ln x}{x^2}$。由于 $f(x) > 0$,导数 $f'(x)$ 的符号由分子 $1 - \ln x$ 决定。当 $x > e$ 时,$\ln x > 1$,故 $1 - \ln x < 0$,从而 $f'(x) < 0$,函数 $f(x)$ 在 $(e, +\infty)$ 上严格单调递减。由于 $e \approx 2.718$,因此当 $n \geq 3$ 时,$n > e$,数列 $\sqrt[n]{n}$ 严格单调递减。接下来求极限 $\lim_{n \to \infty} \sqrt[n]{n}$。考虑 $\lim_{n \to \infty} \ln(\sqrt[n]{n}) = \lim_{n \to \infty} \frac{\ln n}{n}$。这是一个 $\frac{\infty}{\infty}$ 型未定式,应用洛必达法则:$\lim_{n \to \infty} \frac{\ln n}{n} = \lim_{n \to \infty} \frac{1/n}{1} = 0$。因此 $\lim_{n \to \infty} \ln(\sqrt[n]{n}) = 0$,由指数函数的连续性得 $\lim_{n \to \infty} \sqrt[n]{n} = e^0 = 1$。综上,数列 $\sqrt[n]{n}$ 在 $n \geq 3$ 时单调递减,且极限为 $1$。
公式:\lim_{n \to \infty} \sqrt[n]{n} = 1, \quad \sqrt[n]{n} \text{ 在 } n \geq 3 \text{ 时单调递减}
提示:利用 $f(x)=x^{1/x}$ 的导数判断单调性,用洛必达法则求极限。
步骤 2/5
目标:分析(-1)^n/n的奇偶项性态
我们需要分析数列 $a_n = \frac{(-1)^n}{n}$ 的奇偶项性态。首先,根据 $n$ 的奇偶性分别讨论: **当 $n$ 为奇数时**,设 $n = 2k-1$($k = 1,2,3,\dots$),则 $(-1)^n = -1$,因此 $$ a_{2k-1} = \frac{-1}{2k-1} = -\frac{1}{2k-1}. $$ 随着 $k$ 增大,分母 $2k-1$ 增大,分数 $\frac{1}{2k-1}$ 减小,但前面有负号,所以 $a_{2k-1}$ 的值从 $k=1$ 时的 $-1$ 开始,逐渐增大(即负得越来越少),趋向于 $0^-$(从负方向趋近于0)。具体地,$a_{2k-1}$ 是单调递增的,因为 $$ a_{2k+1} - a_{2k-1} = -\frac{1}{2k+1} + \frac{1}{2k-1} = \frac{1}{2k-1} - \frac{1}{2k+1} > 0. $$ **当 $n$ 为偶数时**,设 $n = 2k$($k = 1,2,3,\dots$),则 $(-1)^n = 1$,因此 $$ a_{2k} = \frac{1}{2k}. $$ 随着 $k$ 增大,分母 $2k$ 增大,$a_{2k}$ 逐渐减小,从 $k=1$ 时的 $\frac{1}{2}$ 开始,趋向于 $0^+$(从正方向趋近于0)。$a_{2k}$ 是单调递减的,因为 $$ a_{2k+2} - a_{2k} = \frac{1}{2k+2} - \frac{1}{2k} < 0. $$ 综上,奇数项子列 $\{-\frac{1}{2k-1}\}$ 单调递增趋于 $0^-$,偶数项子列 $\{\frac{1}{2k}\}$ 单调递减趋于 $0^+$。两个子列均收敛于0,但分别从负侧和正侧趋近。
公式:a_{2k-1} = -\frac{1}{2k-1},\quad a_{2k} = \frac{1}{2k}
提示:分别写出奇偶项的通项公式,再单独分析单调性和极限方向。
步骤 3/5
目标:写出奇数项和偶数项的通项
根据题目中给出的数列定义,我们需要分别写出奇数项和偶数项的通项公式。设正整数$k \geq 1$,则奇数项的下标为$2k-1$,偶数项的下标为$2k$。 对于奇数项$a_{2k-1}$,根据数列的规律,其表达式为: $$a_{2k-1} = \sqrt[2k-1]{2k-1} - \frac{1}{2k-1}$$ 其中$\sqrt[2k-1]{2k-1}$表示$(2k-1)$的$(2k-1)$次方根,即$(2k-1)^{1/(2k-1)}$。 对于偶数项$a_{2k}$,其表达式为: $$a_{2k} = \sqrt[2k]{2k} + \frac{1}{2k}$$ 其中$\sqrt[2k]{2k}$表示$(2k)$的$2k$次方根,即$(2k)^{1/(2k)}$。 注意:当$k=1$时,奇数项$a_1 = \sqrt[1]{1} - 1 = 1 - 1 = 0$;偶数项$a_2 = \sqrt[2]{2} + \frac{1}{2} = \sqrt{2} + 0.5$。这些具体数值与题目中给出的前几项一致,验证了通项的正确性。 因此,数列的通项可以分段表示为: $$a_n = \begin{cases} \sqrt[n]{n} - \frac{1}{n}, & n \text{为奇数} \\ \sqrt[n]{n} + \frac{1}{n}, & n \text{为偶数} \end{cases}$$ 该形式将奇数项和偶数项统一为一个表达式,便于后续分析数列的极限与敛散性。
公式:$$a_{2k-1} = \sqrt[2k-1]{2k-1} - \frac{1}{2k-1}, \quad a_{2k} = \sqrt[2k]{2k} + \frac{1}{2k}$$
提示:注意下标与根指数、分母的对应关系,代入k=1验证前两项可快速检查。
步骤 4/5
目标:分析奇数项和偶数项的单调性
考虑数列 $x_n = \sqrt[n]{n} + \frac{(-1)^n}{n}$,将其分为奇数项和偶数项分别讨论单调性。 **奇数项($n=2k-1$)**: 奇数项为 $x_{2k-1} = \sqrt[2k-1]{2k-1} + \frac{-1}{2k-1}$。 - 函数 $f(x)=\sqrt[x]{x}=e^{\frac{\ln x}{x}}$ 在 $x>e$ 时单调递减,因此当 $k$ 足够大时,$\sqrt[2k-1]{2k-1}$ 随 $k$ 增大而递减。 - 项 $-\frac{1}{2k-1}$ 随 $k$ 增大而递增(负数的绝对值减小)。 - 两项的单调性相反,整体单调性不易直接判断。但可以证明奇数项有下界且极限为1:由于 $\sqrt[n]{n} \to 1$ 且 $\frac{(-1)^n}{n} \to 0$,故 $x_{2k-1} \to 1$。又因为 $\sqrt[2k-1]{2k-1} > 1$ 且 $-\frac{1}{2k-1} > -1$,所以 $x_{2k-1} > 0$,存在下界。实际上,通过计算相邻奇数项之差可验证其单调性并非简单单调,但极限存在且为1。 **偶数项($n=2k$)**: 偶数项为 $x_{2k} = \sqrt[2k]{2k} + \frac{1}{2k}$。 - $\sqrt[2k]{2k}$ 随 $k$ 增大而递减(因为 $n>e$ 时 $\sqrt[n]{n}$ 递减)。 - $\frac{1}{2k}$ 随 $k$ 增大而递减。 - 两项均为递减,故整体 $x_{2k}$ 单调递减。且 $\lim_{k\to\infty} x_{2k} = 1+0=1$,因此偶数项单调递减趋于1。 综上,奇数项单调性不明确但极限为1,偶数项单调递减趋于1。
公式:x_{2k-1} = \sqrt[2k-1]{2k-1} - \frac{1}{2k-1}, \quad x_{2k} = \sqrt[2k]{2k} + \frac{1}{2k}
提示:分别讨论奇偶项,利用 $\sqrt[n]{n}$ 的单调区间和极限简化分析。
步骤 5/5
目标:比较所有项并判断最值
我们已经计算出数列的前几项: - $a_1 = 1 - 1 = 0$; - $a_2 = \sqrt{2} + \frac{1}{2} \approx 1.414 + 0.5 = 1.914$; - $a_3 = \sqrt[3]{3} - \frac{1}{3} \approx 1.144 - 0.333 = 0.811$; - $a_4 = \sqrt[4]{4} + \frac{1}{4} \approx 1.414 + 0.25 = 1.664$。 现在比较这些数值: - $a_2 \approx 1.914$ 最大; - $a_4 \approx 1.664$ 次之; - $a_3 \approx 0.811$ 较小; - $a_1 = 0$ 最小。 因此,数列中既有最大值($a_2$)也有最小值($a_1$)。 最终答案验证:数列的通项公式为 $a_n = \sqrt[n]{n} + (-1)^n \cdot \frac{1}{n}$,当 $n=1$ 时 $a_1=0$,当 $n=2$ 时 $a_2=\sqrt{2}+\frac{1}{2}>1.9$,当 $n$ 较大时 $\sqrt[n]{n} \to 1$ 且 $\frac{1}{n} \to 0$,故 $a_n$ 在 $n\geq 3$ 时介于 $0.8$ 与 $1.7$ 之间,不会超过 $a_2$ 也不会低于 $a_1$,所以 $a_2$ 为最大值,$a_1$ 为最小值。
公式:a_n = \sqrt[n]{n} + (-1)^n \cdot \frac{1}{n}
提示:先计算前几项数值,再结合通项趋势判断最值,注意n=1的特殊项。

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