每日一题(21)求极限

题:求 \(\lim_{n \to \infty} \left( \frac{1}{n^2+n+1} + \frac{2}{n^2+n+2} + \cdots + \frac{n}{n^2+n+n} \right)\)

心路历程:

首先最直观的,这道题中明显含有一些“算术级数的味道”,虽然因为分母的影响并不能直接形成求和级数,但仍然不影响给人的直观感受:\(1+2+3+ \cdots +n\)。

而这个求和级数的显式表达式是 \(\frac{(1+n)n}{2} = \frac{1}{2} (n^2+n)\) 又恰与原题目中的各个独立计算项的分母同元同幂,所以便有了一个构造夹逼边界的思路。

解:

若将原题目中的各个独立计算项的分母全部调整成 \(n^2+n+n\),则几乎所有计算项的分母都被放大了(只有最后一个表达式的分母没有被放大);反之、若将所有分母都更改成 \(n^2+n+1\),则几乎所有的分母都被缩小了(仅第一项分母没有被缩小)。

因为分母被放大,意味着整个分式变小了;反之,分母如果被缩小,意味着整个分式被放大了,因而可以得出不等式:

有:\( \frac{1}{n^2+n+n} + \cdots + \frac{n}{n^2+n+n} < \frac{1}{n^2+n+1} + \cdots + \frac{n}{n^2+n+n} < \frac{1}{n^2+n+1} + \cdots + \frac{n}{n^2+n+1}\)

经过上述的边界膨胀,得到的左边界和右边界,虽然还看不出对解题有利的结论,但至少得到的两个边界是可以各自完成合并计算的,合并之后的分子拥有显式表达、且显式表达与分母同元同幂,至此不妨按照这个感觉继续往后推导:

左侧:\(\frac{1}{n^2+n+n} + \cdots + \frac{n}{n^2+n+n} = \frac{(1+n)n}{2(n^2+n+n)} = \frac{n^2+n}{2(n^2+n+n)}\)

右侧:\(\frac{1}{n^2+n+1} + \cdots + \frac{n}{n^2+n+1} = \frac{(1+n)n}{2(n^2+n+1)} = \frac{n^2+n}{2(n^2+n+1)}\)

对如上得到的两个表达式分别计算 \(n\to \infty\) 时的极限,容易得到其极限结果均为 \(\frac{1}{2}\):

左侧:\(\lim_{n\to\infty} \frac{n^2+n}{2(n^2+n+n)} = \lim_{n\to\infty} \frac{1+\frac{1}{n}}{2(1+\frac{1}{n}+\frac{1}{n})} = \frac{1+\delta}{2(1+\delta+\delta)} = \frac{1}{2}\)

左侧:\(\lim_{n\to\infty} \frac{n^2+n}{2(n^2+n+1)} = \lim_{n\to\infty} \frac{1+\frac{1}{n}}{2(1+\frac{1}{n}+\frac{1}{n^2})} = \frac{1+\delta}{2(1+\delta+\delta^2)} = \frac{1}{2}\)

至此可依夹逼准则确定原题目问题的极限亦为 \(\frac{1}{2}\),计算完成。

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