上册 1.1 数列极限 第17题
📝 题目
17.求下列极限.
(1) $\displaystyle \lim _{n \rightarrow \infty}\left(\frac{1}{n+1} f\left(\frac{1}{n}\right)+\frac{1}{n+\frac{1}{2}} f\left(\frac{2}{n}\right)+\cdots+\frac{1}{n+\frac{1}{n}} f\left(\frac{n}{n}\right)\right)$ ,其中 $f(x)$ 为 $[0,1]$ 上的非负连续函数.
(1)$f(x)=\sin \pi x$ .
(2)$f(x)=a^{x}$. .$a=$ 3:云南大学 $2006 ; a=2$ :武汉大学 2010 ,四川大学 2001,兰州大学 2001,河南师大 2014)
(2) $\displaystyle \lim _{n \rightarrow \infty} \sum_{k=1}^{n} \frac{a^{\frac{k}{n}}}{n+(a-1) k^{-1}}, a>1$ 。
(3) $\displaystyle \lim _{n \rightarrow \infty} \sum_{k=1}^{n}\left(\sqrt{1+\frac{k}{n^{2}}}-1\right)$ .
(4) $\displaystyle \lim _{n \rightarrow \infty} \sum_{k=1}^{n}\left(\sqrt{1+\frac{k^{2}}{n^{3}}}-1\right)$ .
(5) $\displaystyle \lim _{n \rightarrow \infty} \sum_{k=1}^{n}\left(\mathrm{e}^{\frac{1}{\sin } \frac{k}{n}}-1\right)$ .
(6) $\displaystyle \lim _{n \rightarrow \infty} \sum_{k=1}^{n} \frac{1}{\sqrt{k(n-k+1)}}$ .
(7) $\displaystyle \lim _{n \rightarrow \infty} \frac{1}{n^{2}} \sum_{k=1}^{n} \sqrt{(n x+k)(n x+k-1)}, x>0$ .
💡 答案解析
\section*{解题过程:}
(1)由于
$$
\sum_{k=1}^{n} \frac{1}{n+1} f\left(\frac{k}{n}\right) \leqslant \frac{1}{n+1} f\left(\frac{1}{n}\right)+\frac{1}{n+\frac{1}{2}} f\left(\frac{2}{n}\right)+\cdots+\frac{1}{n+\frac{1}{n}} f\left(\frac{n}{n}\right) \leqslant \sum_{k=1}^{n} \frac{1}{n+\frac{1}{n}} f\left(\frac{k}{n}\right)
$$
且
$$
\begin{aligned}
& \lim _{n \rightarrow \infty} \sum_{k=1}^{n} \frac{1}{n+1} f\left(\frac{k}{n}\right)=\lim _{n \rightarrow \infty} \frac{n}{n+1} \sum_{k=1}^{n} \frac{1}{n} f\left(\frac{k}{n}\right)=\int_{0}^{1} f(x) \mathrm{d} x \\
& \lim _{n \rightarrow \infty} \sum_{k=1}^{n} \frac{1}{n+\frac{1}{n}} f\left(\frac{k}{n}\right)=\lim _{n \rightarrow \infty} \frac{n}{n+\frac{1}{n}} \sum_{k=1}^{n} \frac{1}{n} f\left(\frac{k}{n}\right)=\int_{0}^{1} f(x) \mathrm{d} x
\end{aligned}
$$
所以 $\displaystyle \lim _{n \rightarrow \infty}\left(\frac{1}{n+1} f\left(\frac{1}{n}\right)+\frac{1}{n+\frac{1}{2}} f\left(\frac{2}{n}\right)+\cdots+\frac{1}{n+\frac{1}{n}} f\left(\frac{n}{n}\right)\right)=\int_{0}^{1} f(x) \mathrm{d} x$ .
于是(1) $\displaystyle \lim _{n \rightarrow \infty}\left(\frac{\sin \frac{\pi}{n}}{n+1}+\frac{\sin \frac{2 \pi}{n}}{n+\frac{1}{2}}+\cdots+\frac{\sin \frac{n \pi}{n}}{n+\frac{1}{n}}\right)=\int_{0}^{1} \sin \pi x \mathrm{~d} x=\frac{2}{\pi}$ ;
(2) $\displaystyle \lim _{n \rightarrow \infty}\left(\frac{a^{\frac{1}{n}}}{n+1}+\frac{a^{\frac{2}{n}}}{n+\frac{1}{2}}+\cdots+\frac{a^{\frac{n}{n}}}{n+\frac{1}{n}}\right)=\int_{0}^{1} a^{x} \mathrm{~d} x=\frac{a-1}{\ln a}$ .
(2)$\displaystyle \sum_{k=1}^{n} \frac{a^{\frac{k}{n}}}{n+(a-1) k^{-1}}=\sum_{k=1}^{n} \frac{1}{n} a^{\frac{k}{n}} \frac{1}{1+(a-1) \frac{1}{n k}}$ .
由于 $\displaystyle \frac{1}{1+(a-1) \frac{1}{n}} \sum_{k=1}^{n} \frac{1}{n} a^{\frac{k}{n}}<\sum_{k=1}^{n} \frac{a^{\frac{k}{n}}}{n+(a-1) k^{-1}}<\sum_{k=1}^{n} \frac{1}{n} a^{\frac{k}{n}}$ ,
且 $\displaystyle \quad \lim _{n \rightarrow \infty} \sum_{k=1}^{n} \frac{1}{n} a^{\frac{k}{n}}=\int_{0}^{1} a^{x} \mathrm{~d} x=\frac{1}{\ln a}(a-1)$ ,
$$
\lim _{n \rightarrow \infty} \frac{1}{1+(a-1) \frac{1}{n}} \sum_{k=1}^{n} \frac{1}{n} a^{\frac{k}{n}}=\lim _{n \rightarrow \infty} \sum_{k=1}^{n} \frac{1}{n} a^{\frac{k}{n}}=\int_{0}^{1} a^{x} \mathrm{~d} x=\frac{1}{\ln a}(a-1)
$$
所以
$$
\lim _{n \rightarrow \infty} \sum_{k=1}^{n} \frac{a^{\frac{k}{n}}}{n+(a-1) k^{-1}}=\frac{1}{\ln a}(a-1)
$$
(3)由中值定理 $\displaystyle \sqrt{1+\frac{k}{n^{2}}}-1=\frac{1}{2} \frac{1}{\sqrt{1+\theta \frac{k}{n^{2}}}} \frac{k}{n^{2}}, \theta \in(0,1)$ .于是 $\displaystyle 1 \leqslant \sqrt{1+\theta \frac{k}{n^{2}}} \leqslant \sqrt{1+\frac{1}{n}}$ .从而
$$
\frac{1}{2} \frac{1}{\sqrt{1+\frac{1}{n}}} \frac{k}{n^{2}} \leqslant \sqrt{1+\frac{k}{n^{2}}}-1 \leqslant \frac{1}{2} \frac{k}{n^{2}}
$$
所以
$$
\lim _{n \rightarrow \infty} \sum_{k=1}^{n}\left(\sqrt{1+\frac{k}{n^{2}}}-1\right)=\lim _{n \rightarrow \infty} \frac{1}{2} \sum_{k=1}^{n} \frac{k}{n^{2}}=\frac{1}{2} \int_{0}^{1} x \mathrm{~d} x=\frac{1}{4}
$$
(4)类似于(3)有 $\displaystyle \lim _{n \rightarrow \infty} \sum_{k=1}^{n}\left(\sqrt{1+\frac{k^{2}}{n^{3}}}-1\right)=\frac{1}{2} \lim _{n \rightarrow \infty} \sum_{k=1}^{n} \frac{k^{2}}{n^{3}}=\frac{1}{2} \int_{0}^{1} x^{2} \mathrm{~d} x=\frac{1}{6}$ .
(5)类似于(3)有 $\displaystyle \lim _{n \rightarrow \infty} \sum_{k=1}^{n}\left(\mathrm{e}^{\frac{1}{n} \sin \frac{k}{n}}-1\right)=\lim _{n \rightarrow \infty} \frac{1}{n} \sin \frac{k}{n}=\int_{0}^{1} \sin x \mathrm{~d} x=1-\cos 1$ .
(6) $\displaystyle \lim _{n \rightarrow \infty} \sum_{k=1}^{n} \frac{1}{\sqrt{k(n-k+1)}}=\lim _{n \rightarrow \infty} \frac{1}{n} \sum_{k=1}^{n} \frac{1}{\sqrt{\frac{k}{n}\left(1-\frac{k-1}{n}\right)}}=\int_{0}^{1} \frac{1}{\sqrt{x(1-x)}} \mathrm{d} x=\pi$ .
(7) $\displaystyle \lim _{n \rightarrow \infty} \frac{1}{n^{2}} \sum_{k=1}^{n} \sqrt{(n x+k)(n x+k-1)}$
$$
=\lim _{n \rightarrow \infty} \frac{1}{n} \sum_{k=1}^{n} \sqrt{\left(x+\frac{k}{n}\right)\left(x+\frac{k-1}{n}\right)}=\int_{0}^{1} \sqrt{(x+t)^{2}} \mathrm{~d} t=\int_{0}^{1}(x+t) \mathrm{d} t=x+\frac{1}{2} .
$$
📋 详细解题步骤
步骤 1/5
目标:夹逼准则估计原极限
由于 $f(x)$ 非负连续,且 $\frac{1}{n+1} \leq \frac{1}{n+\frac{1}{k}} \leq \frac{1}{n+\frac{1}{n}}$,故有
$$\sum_{k=1}^n \frac{1}{n+1} f\left(\frac{k}{n}\right) \leq \sum_{k=1}^n \frac{1}{n+\frac{1}{k}} f\left(\frac{k}{n}\right) \leq \sum_{k=1}^n \frac{1}{n+\frac{1}{n}} f\left(\frac{k}{n}\right).$$
提示:注意分母中的 $k$ 变化,夹逼时需统一分母的界。
步骤 2/5
目标:计算夹逼两端极限
左端:$\lim_{n\to\infty}\sum_{k=1}^n\frac{1}{n+1}f\left(\frac{k}{n}\right)=\lim_{n\to\infty}\frac{n}{n+1}\cdot\frac{1}{n}\sum_{k=1}^n f\left(\frac{k}{n}\right)=\int_0^1 f(x)\,dx$。
右端:$\lim_{n\to\infty}\sum_{k=1}^n\frac{1}{n+\frac{1}{n}}f\left(\frac{k}{n}\right)=\lim_{n\to\infty}\frac{n}{n+\frac{1}{n}}\cdot\frac{1}{n}\sum_{k=1}^n f\left(\frac{k}{n}\right)=\int_0^1 f(x)\,dx$。
公式:$\lim_{n\to\infty}\frac{1}{n}\sum_{k=1}^n f\left(\frac{k}{n}\right)=\int_0^1 f(x)\,dx$
提示:注意 $\frac{n}{n+1}\to 1$,$\frac{n}{n+1/n}\to 1$。
步骤 3/5
目标:由夹逼准则得原极限
由夹逼准则,原极限等于 $\int_0^1 f(x)\,dx$。
步骤 4/5
目标:代入具体函数求极限(1)
当 $f(x)=\sin\pi x$ 时,$\int_0^1 \sin\pi x\,dx = \frac{2}{\pi}$。
公式:$\int_0^1 \sin\pi x\,dx = \frac{2}{\pi}$
提示:注意积分计算正确。
步骤 5/5
目标:代入具体函数求极限(2)
当 $f(x)=a^x$ 时,$\int_0^1 a^x\,dx = \frac{a-1}{\ln a}$。
公式:$\int_0^1 a^x\,dx = \frac{a-1}{\ln a}$
提示:注意 $a>0$ 且 $a\neq 1$。
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