定積分定義解決所有累加極限問題
考研數(shù)學里面有一種常見題型,就是數(shù)列累加極限問題,實際上就是無限個無窮小相加的極限。這類問題我們一般有三種解法: 1、和式可以表達出來,之后就可以用海涅定理轉(zhuǎn)化為函數(shù)極限,比如能夠裂項相消的、等比數(shù)列之類的。但是這類題在考研里面幾乎不會出現(xiàn),因為這偏向于高中數(shù)列的內(nèi)容。 2、放縮法。左右放縮之后利用夾逼準則,但是這類方法的缺點就是放縮的技巧性比較強,有時候不容易找到合適的放縮方式。 3、定積分法。傳統(tǒng)的定積分法是針對一類特殊的求和式才能使用:
也就是說這類求和式有兩個要求,第一,i的上下限必須是n和1;第二,累加項要能轉(zhuǎn)化為i/n的函數(shù)乘1/n的形式。因此,方法受到了很大的限制,應用范圍不廣,而當此方法失效的時候前兩個方法又不好用,所以我總結(jié)出了破除這兩個限制的方法,從而讓定積分法成為解決累加問題的通法。 先解決i的范圍問題。當i的范圍不是1到n的時候,我們依然將累加項化為f(i/n)1/n的形式,那么這個式子累加依然表示f(x)在某個區(qū)間上的積分,只不過不一定是0到1。我們依然把這個乘積當作小長方形的面積,底邊長為1/n,那么高就為f(i/n),則i/n為小長方形底邊上某一點的橫坐標。而i取到下一項i+1的時候,(i+1)/n與i/n相比增加了1/n,也就是說正好代表下一個長方形底邊上相同位置的點的橫坐標。因此,把i從下限取到上限累加起來,就是所有小長方形的面積之和,也就是f(x)的定積分,而積分下限就是第一個長方形的取點橫坐標,也就是i的下限/n,積分上限就是最后一個長方形的取點橫坐標,也就是i的上限/n。 因此,我總結(jié)出了i在任意范圍的定積分轉(zhuǎn)化公式:
特殊情況就是i從1到n的時候,積分上下限就是0到1。 第二個問題,就是累加項不能轉(zhuǎn)化為i/n的函數(shù)的問題。這個時候,我們可以采取吸收原則,即無窮大相加減的時候,只保留高階無窮大,低階無窮大和常數(shù)可以消掉,實際上就是大家俗稱的抓大頭。其中,n和i視為一對同階無窮大。 是的,有人會有一個疑問了,就算是用吸收原則調(diào)整之后,還是有可能得不到n和i的齊次式,導致無法轉(zhuǎn)化。但是這種情況,答案是直接出來了的。因為用吸收原則調(diào)整之后,分子和分母分別都是齊次了,只是分子分母的次數(shù)不一定相同(注意是提出1/n后,也就是分子乘n后),這個時候,如果分母次數(shù)大,那么分母就是高階無窮大,比值就是0,也就是說被積函數(shù)為0,那么該累加數(shù)列的極限就是0,反之就是無窮大,發(fā)散。這樣一來,就解決了所有的情況。 那么,總結(jié)一下定積分法求累加數(shù)列極限問題的解題步驟: 1、找到i,i的上下限不限,但必須是公差為1的等差數(shù)列。這個一定可以找到的,因為累加式中的變量有規(guī)律,構(gòu)成數(shù)列,便有通項公式,通項中的項數(shù)就是i,公差為1。 2、利用吸收原則調(diào)整累加項之后轉(zhuǎn)化為i/n的函數(shù)乘1/n。如果調(diào)整之后依然無法轉(zhuǎn)化,那分母高階就是0,分子高階就是無窮大。 3、i/n變?yōu)閤,1/n為dx,i的上下限分別/n作為積分上下限(n→∞)。 我們利用這個方法還可以輕松解決2021考研數(shù)學二的選擇題第七題:
這題的參考答案解法是根據(jù)定積分的定義判斷選項中分割長方形的方式和橫坐標取點位置,屬于是直接用底層原理解題了,比較麻煩,而用總結(jié)出來的新方法可以迅速判斷出每個選項的累加式代表的積分。A項是1/2倍0到1上f(x)積分,B是答案,C是2倍,D是4倍,判斷方法就是-1可以抹掉,根據(jù)吸收原則。然后k/n是x,1/n是dx,k從1到n就是0到1積分,k從1到2n就是0到2積分。之后括號里面有x/2,積分限0到2,正好換元變成x,積分限也就變成0到1了。 希望這樣的定積分法能夠?qū)Υ蠹矣袔椭?