1. 数列极限概念

1.9. 数列极限学习测试

数列极限测试题

数列极限测试题

问题 1: 极限的定义

请选择正确的极限定义:

正确答案:对于任何 ε > 0,存在正整数 N,使得当 n > N 时,|a_n - L| < ε

解释:

这个定义描述了数列 \(\\{a_n\\}\) 收敛到极限 L 的含义。它表示当 n 足够大时,数列的项与极限值的差的绝对值可以任意小。

知识点:

  • ε-N 语言:用于精确描述极限的数学语言
  • 数列收敛的直观理解:数列的项无限接近某个固定值
  • 绝对值:|a_n - L| 表示 a_n 与 L 之间的距离

问题 2: 计算极限

计算以下极限:

\[ \lim_{n \to \infty} \frac{n^2 + 3n + 2}{2n^2 + 1} \]

极限值为 1/2。

解答过程:

  1. 分子和分母都除以 n^2(最高次项): \[ \lim_{n \to \infty} \frac{n^2/n^2 + 3n/n^2 + 2/n^2}{2n^2/n^2 + 1/n^2} \]
  2. 化简: \[ \lim_{n \to \infty} \frac{1 + 3/n + 2/n^2}{2 + 1/n^2} \]
  3. 当 n 趋向无穷时,1/n 和 1/n^2 趋向于 0: \[ \lim_{n \to \infty} \frac{1 + 0 + 0}{2 + 0} = \frac{1}{2} \]

知识点:

  • 极限的计算技巧:分子分母同除以最高次项
  • 无穷大与无穷小的关系:当 n 趋向无穷时,1/n 和 1/n^2 趋向于 0
  • 有理函数的极限:分子分母的最高次项决定极限值

问题 3: 数列的收敛性

判断以下数列是否收敛:

\[ a_n = \frac{(-1)^n}{n} \]

答案:该数列收敛。

解释:

  1. 这是一个交错数列,可以写成 \((-1)^n \cdot \frac{1}{n}\)
  2. 应用莱布尼茨判别法:
    • \(\frac{1}{n}\) 单调递减且趋向于 0
    • 符号在正负间交替变化
  3. 因此,该数列收敛

知识点:

  • 交错数列:正负项交替出现的数列
  • 莱布尼茨判别法:判断交错级数收敛性的重要方法
  • 绝对收敛与条件收敛:该数列是条件收敛的

问题 4: 夹逼准则

使用夹逼准则计算以下极限:

\[ \lim_{n \to \infty} \frac{\sin n}{n} \]

极限值为 0。

解答过程:

  1. 利用不等式:-1 ≤ sin n ≤ 1
  2. 两边同除以 n(n > 0):-1/n ≤ sin n / n ≤ 1/n
  3. 当 n 趋向无穷时,-1/n 和 1/n 都趋向于 0
  4. 根据夹逼准则,sin n / n 也必须趋向于 0

知识点:

  • 夹逼准则:如果对于足够大的 n,g否 ≤ f否 ≤ h否,且 lim g否 = lim h否 = L,则 lim f否 = L
  • 三角函数的性质:sin n 的值域为 [-1, 1]
  • 无穷小量:1/n 是比 sin n 更快趋于 0 的无穷小量

问题 5: 考研难度的数列极限

计算以下极限:

\[ \lim_{n \to \infty} \frac{1}{n^2} \sin\left(\frac{\pi}{2} \cdot \frac{n^2}{n^2 + 1}\right) \]

极限值为 \(\frac{\pi}{2}\)

解答过程:

  1. 观察到 \(\lim_{n \to \infty} \frac{n^2}{n^2 + 1} = 1\)
  2. \(x = \frac{\pi}{2} \cdot \frac{n^2}{n^2 + 1}\),则当 n → ∞ 时,x → \(\frac{\pi}{2}\)
  3. 原式可以改写为:\(\lim_{x \to \frac{\pi}{2}} \frac{\sin x}{(\frac{2}{\pi}x)^2}\)
  4. 应用洛必达法则: \[ \lim_{x \to \frac{\pi}{2}} \frac{\cos x}{\frac{4}{\pi^2}x} = \frac{\pi^2}{4} \cdot \lim_{x \to \frac{\pi}{2}} \frac{\cos x}{x} = \frac{\pi^2}{4} \cdot \frac{0}{\frac{\pi}{2}} = \frac{\pi}{2} \]

知识点:

  • 等价无穷小代换:\(\sin x \sim x\)(当 x → 0 时)
  • 复合函数的极限:内层函数的极限决定外层函数的极限
  • 洛必达法则:适用于 0/0 型和 ∞/∞ 型的极限
  • 三角函数的极限:\(\lim_{x \to 0} \frac{\sin x}{x} = 1\)

问题 6: 极限的应用

一个球从 10 米高处落下,每次弹起高度为前一次的 80%。求球运动的总距离。

球运动的总距离为 90 米。

解答过程:

  1. 设初始高度为 h = 10 米,弹起系数为 r = 0.8
  2. 第 n 次落地后的总距离:S_n = h(1 + r + r^2 + ... + r^(n-1)) * 2 - h
  3. 当 n 趋向无穷时,括号内是一个等比数列的和:\(\frac{1-r^n}{1-r}\)
  4. 极限情况下,r^n → 0,所以总距离的极限为: \[ S = \lim_{n \to \infty} S_n = h \cdot \frac{1}{1-r} \cdot 2 - h = 10 \cdot \frac{1}{1-0.8} \cdot 2 - 10 = 90 \]

知识点:

  • 无穷等比级数:当 |r| < 1 时,\(\sum_{n=0}^{\infty} ar^n = \frac{a}{1-r}\)
  • 极限的实际应用:物理问题中的无穷过程
  • 几何级数:描述具有固定比率的重复过程