方企勤 第一章 分析基础 第12题

教材习题

📝 题目

例 12 设 $\left\{ {a}_{n}\right\}$ 单调下降,且 $\displaystyle{\mathop{\lim }\limits_{{n \rightarrow \infty }}{a}_{n} = 0,{b}_{n}\frac{\text{ 定义 }{a}_{1} + {a}_{2} + \cdots + {a}_{n}}{n}}$ . 求证:

(1) ${b}_{n}$ 单调下降; (2) ${b}_{2n} \leq \frac{1}{2}\left( {{a}_{n} + {b}_{n}}\right)$ ; (3) $\displaystyle{\mathop{\lim }\limits_{{n \rightarrow \infty }}{b}_{n} = 0}$ .

💡 答案解析

证(1)由已知条件有

$$ {a}_{n} \downarrow \Rightarrow {b}_{n} = \frac{{a}_{1} + {a}_{2} + \cdots + {a}_{n}}{n} \geq {a}_{n + 1} $$

$$ \Rightarrow {b}_{n + 1} = \frac{{a}_{1} + {a}_{2} + \cdots + {a}_{n} + {a}_{n + 1}}{n + 1} $$

$$ = \frac{n{b}_{n} + {a}_{n + 1}}{n + 1} \leq \frac{n{b}_{n} + {b}_{n}}{n + 1} = {b}_{n} \Rightarrow {b}_{n} \downarrow . $$

(2) ${b}_{2n} = \frac{{a}_{1} + {a}_{2} + \cdots + {a}_{n} + {a}_{n + 1} + \cdots + {a}_{2n}}{2n} = \frac{1}{2}{b}_{n} + \frac{{a}_{n + 1} + \cdots + {a}_{2n}}{2n}$

$$ \leq \frac{1}{2}\frac{1}{2}{b}_{n} + \frac{n{a}_{n}}{2n} = \frac{1}{2}\left( {{a}_{n} + {b}_{n}}\right) . $$

( 3 )由第 (1 ) 小题及 ${b}_{n} \geq 0,{b}_{n}$ 是单调下降有下界序列,因此极限 $\displaystyle{\mathop{\lim }\limits_{{n \rightarrow \infty }}{b}_{n} = b}$ 存在. 对第 (2) 小题的不等式两边取极限,得 $b \leq \frac{1}{2}b \Rightarrow b \leq$ 0; 又 $b \geq 0$ ,即得 $b = 0$ ,即 $\displaystyle{\mathop{\lim }\limits_{{n \rightarrow \infty }}{b}_{n} = 0}$ .

引申

$$ \frac{1}{\sqrt[n]{n!}} = \sqrt[n]{\frac{1}{n!}} \leq \frac{1 + \frac{1}{2} + \cdots + \frac{1}{n}}{n}\underset{\frac{1}{n + \infty }n}{\underbrace{\frac{1}{\lim \frac{1}{n} = 0}}}\mathop{\lim }\limits_{{n \rightarrow \infty }}\frac{1}{\sqrt[n]{n!}} = 0. $$

📋 详细解题步骤

步骤 1/3
目标:证明{b_n}单调下降
由{a_n}单调下降且趋于0,得b_n = (a_1+...+a_n)/n ≥ a_{n+1}。则b_{n+1} = (n b_n + a_{n+1})/(n+1) ≤ (n b_n + b_n)/(n+1) = b_n,故{b_n}单调下降。
公式:b_{n+1} = (n b_n + a_{n+1})/(n+1) ≤ b_n
提示:利用a_{n+1} ≤ b_n
步骤 2/3
目标:证明b_{2n} ≤ (a_n + b_n)/2
b_{2n} = (a_1+...+a_n + a_{n+1}+...+a_{2n})/(2n) = (1/2)b_n + (a_{n+1}+...+a_{2n})/(2n)。由于{a_n}单调下降,a_{n+1}+...+a_{2n} ≤ n a_n,故b_{2n} ≤ (1/2)b_n + (n a_n)/(2n) = (a_n + b_n)/2。
公式:b_{2n} = (1/2)b_n + (a_{n+1}+...+a_{2n})/(2n) ≤ (a_n + b_n)/2
提示:将求和分成两部分,并利用单调性放缩
步骤 3/3
目标:证明lim b_n = 0
由(1)知{b_n}单调下降且有下界0,故极限b存在。对(2)中不等式取极限得b ≤ (1/2)b,即b ≤ 0;又b ≥ 0,故b=0。
公式:b ≤ (1/2)b ⇒ b=0
提示:利用极限的保不等式性

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