方企勤 第一章 分析基础 第21题

教材习题

📝 题目

例 21 (1) 设 $0 < {x}_{1} < 1,{x}_{n + 1} = {x}_{n}\left( {1 - {x}_{n}}\right)$ ,求证: $\displaystyle{\mathop{\lim }\limits_{{n \rightarrow \infty }}n{x}_{n} = 1}$ .

(2)设 $0 < q < 1,0 < {x}_{1} < \frac{1}{q},{x}_{n + 1} = {x}_{n}\left( {1 - q{x}_{n}}\right)$ ,求证: $\displaystyle{\mathop{\lim }\limits_{{n \rightarrow \infty }}n{x}_{n} = \frac{1}{q}}$ .

💡 答案解析

证(1)用数学归纳法容易证明

$$ {x}_{1} \in \left( {0,1}\right) \Rightarrow {x}_{n} \in \left( {0,1}\right) \;\left( {n = 1,2,\cdots }\right) . $$

从而

$$ 0 < \frac{{x}_{n + 1}}{{x}_{n}} = 1 - {x}_{n} < 1\;\left( {n = 1,2,\cdots }\right) $$

$$ \Rightarrow {x}_{n} \downarrow \Rightarrow \exists \mathop{\lim }\limits_{{n \rightarrow \infty }}{x}_{n} = x\text{ . } $$

$$ {x}_{n + 1} = {x}_{n}\left( {1 - {x}_{n}}\right) \overset{\text{ 令 }n \rightarrow \infty }{ = }\frac{}{}x\left( {1 - x}\right) = x $$

$$ \overset{{x}_{n} \downarrow \Rightarrow {x}_{n} < 1}{ \Rightarrow }x = 0. $$

令 ${a}_{n}\frac{\text{ 定义 }1}{{x}_{n}}\left( {n = 1,2,\cdots }\right)$ ,则当 $\displaystyle{n \rightarrow \infty}$ 时,

$$ {a}_{n + 1} - {a}_{n} = \frac{1}{{x}_{n + 1}} - \frac{1}{{x}_{n}} = \frac{1}{{x}_{n}\left( {1 - {x}_{n}}\right) } - \frac{1}{{x}_{n}} $$

$$ = \frac{1}{1 - {x}_{n}} \rightarrow 1\overset{\text{ 由

📋 详细解题步骤

步骤 1/3
目标:证明数列{x_n}单调递减且趋于0
首先用数学归纳法证明0
公式:x_{n+1}=x_n(1-x_n), 0
提示:注意单调递减和极限为0的推导,为后续使用Stolz定理做准备。
步骤 2/3
目标:构造倒数列并利用Stolz定理求极限
令a_n=1/x_n,则a_n→+∞。计算a_{n+1}-a_n=1/x_{n+1}-1/x_n=1/(x_n(1-x_n))-1/x_n=1/(1-x_n)→1(因为x_n→0)。由Stolz定理,lim_{n→∞} n x_n = lim_{n→∞} n / a_n = lim_{n→∞} (n+1-n)/(a_{n+1}-a_n)=1/1=1。
公式:a_{n+1}-a_n=1/(1-x_n)→1, Stolz定理:lim n/a_n = lim 1/(a_{n+1}-a_n)
提示:Stolz定理适用于∞/∞型极限,注意验证条件。
步骤 3/3
目标:推广到一般参数q的情形
类似地,先证0
公式:x_{n+1}=x_n(1-q x_n), a_{n+1}-a_n=q/(1-q x_n)→q
提示:注意参数q的影响,最终极限为1/q。

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