各类平均与数列极限

已知数列$\{a_n\},\{b_n\}$满足$a_0=a,b_0=b(a>0,b>0,a\neq b)$,且
\[\begin{cases}
a_{n+1}=\frac{1}{2}(a_n+b_n)\\
b_{n+1}=\sqrt{a_{n+1}b_n}.
\end{cases}(n=0,1,2,\ldots)\]
试求$\{a_n\},\{b_n\}$的通项公式以及它们的极限.

由题设条件有
\[\left( \frac{a_{n+1}}{b_{n+1}} \right) ^2=\frac{a_{n+1}^{2}}{a_{n+1}b_n}=\frac{a_{n+1}}{b_n}=\frac{1}{2}\left( \frac{a_n}{b_n}+1 \right).\]
令$t_n=\frac{a_n}{b_n} (n=0,1,2,\ldots)$,则
\[t_{n+1}^2=\frac{1}{2}(t_n+1),\quad t_0=\frac{a}{b}.\]
再令$t_n=\frac{1}{2}x_n$,则
\[x_{n+1}^2=x_n+2,\quad x_0=2\frac{a}{b}.\]
由方程$x_0=t+\frac{1}{t}=2\frac{a}{b}$,解得$t_{1,2}=\frac{a\pm\sqrt{a^2-b^2}}{b}$.

易知,当$x_0>2$时, $x_n>2$;当$0<x_0<2$时, $0<x_n<2$.因此
\[
x_n=\begin{cases}
2\cos \left( \frac{1}{2^n}\arccos \frac{a}{b} \right) ,& 0<a<b;\\
\left( \frac{a+\sqrt{a^2-b^2}}{b} \right) ^{1/2^n}+\left( \frac{a-\sqrt{a^2-b^2}}{b} \right) ^{1/2^n},& 0<b<a.\\
\end{cases}
\]
又因为$\frac{b_{n+1}}{b_n}=\frac{a_{n+1}}{b_{n+1}}=\frac{1}{2}x_{n+1}$,所以,当$0<a<b$时,
\begin{align*}
b_n&=b_0\frac{x_1x_2\cdots x_n}{2^n}=b\cos \frac{\theta}{2}\cos \frac{\theta}{2^2}\cdots \cos \frac{\theta}{2^n}
\\
&=\frac{b\sin \theta}{2^n\sin \frac{\theta}{2^n}},\quad \theta =\arccos \frac{a}{b},n=0,1,2,\ldots
\end{align*}

\[a_n=\frac{b\sin \theta}{2^n}\cot \frac{\theta}{2^n}\]
并且\[\lim_{n\rightarrow \infty}a_n=\lim_{n\rightarrow \infty}b_n=\frac{b\sin \theta}{\theta}=\frac{\sqrt{b^2-a^2}}{\arccos \frac{a}{b}}.\]

当$a>b>0$时,
\begin{align*}
x_n&=\left( \frac{a+\sqrt{a^2-b^2}}{b} \right) ^{1/2^n}+\left( \frac{a-\sqrt{a^2-b^2}}{b} \right) ^{1/2^n}
\\
&=e^{\alpha /2^n}+e^{-\alpha /2^n}=2\mathrm{cosh}\left( \frac{\alpha}{2^n} \right),\quad \alpha=\ln\frac{a+\sqrt{a^2-b^2}}{b}
\end{align*}
其中$\mathrm{cosh} x=\frac{1}{2}\left(e^x+e^{-x}\right)$为双曲余弦函数,注意到$\mathrm{sinh}x=2\mathrm{sinh}\frac{x}{2}\mathrm{cosh}\frac{x}{2}$,其中$\mathrm{sinh} x=\frac{1}{2}\left(e^x-e^{-x}\right)$为双曲正弦函数,我们有
\[b_n=b_0\frac{x_1x_2\cdots x_n}{2^n}=b\mathrm{cosh}\frac{\alpha}{2}\mathrm{cosh}\frac{\alpha}{2^2}\cdots \mathrm{cosh}\frac{\alpha}{2^n}=\frac{b\mathrm{sinh}\alpha}{2^n\mathrm{sinh}\frac{\alpha}{2^n}},\]

\[a_n=\frac{b\mathrm{sinh}\frac{\alpha}{2}}{2^n}\mathrm{coth} \frac{\alpha}{2^n},\]
并且
\[
\lim_{n\rightarrow \infty}a_n=\lim_{n\rightarrow \infty}b_n=\frac{b\mathrm{sinh} \alpha}{\alpha}=\frac{\sqrt{a^2-b^2}}{\ln \frac{a+\sqrt{a^2-b^2}}{b}}.
\]

(1990年匈牙利奥赛)设$a_0=1,a_n=\frac{\sqrt{1+a_{n-1}^2}-1}{a_{n-1}}$,则$a_n>\frac{\pi}{2^{n+2}}$.

设$a_k\geq 0,a_{n+m}\leq a_n+a_m$,则对任意$n\geq m$,均有
\[a_n\le ma_1+\left( \frac{n}{m}-1 \right) a_m.\]
特别地,若$a_1=1,a_n>1(n\geq 2)$且$a_{n+m}\leq a_n+a_m$,则$a_n<n$.

(1989年30届IMO预选题)定义数列$\{a_n\},\{b_n\}$如下: $a_0=\frac{\sqrt{2}} {2},b_0=1$,
\[ a_{n+1}=a_0\sqrt{1-\sqrt{1-a_n^2}},\quad b_{n+1}=\frac{\sqrt{1+b_n^2}-1}{b_n}(n=0,1,2,\ldots)\]
求证:对每一个$n=0,1,2,\ldots$,有不等式
\[2^{n+2}a_n<\pi<2^{n+2}b_n.\]

提示:令$b_{n}=\tan\theta_n$,可求得$\theta_n=\frac{\pi}{2^{n+2}}$,故$b_n=\tan\frac{\pi} {2^{n+2}}$.再利用不等式$\sin x<x<\tan x(0<x<\pi/2)$即可.

(叶军P 283)已知数列$\{a_n\},\{b_n\}$满足$a_0=a,b_0=b(a>0,b>0)$,且
\[\begin{cases}
a_{n+1}=\frac{1}{2}(a_n+b_n)\\
b_{n+1}=\frac{2a_nb_n}{a_n+b_n}.
\end{cases}(n=0,1,2,\ldots)\]
试求$\{a_n\},\{b_n\}$的通项公式.

易证$a_nb_n=a_0b_0=ab(n\geq 0)$以及
\[a_{n+1}=\frac{1}{2}\left( a_n+\frac{ab}{a_n} \right).\]
因此
\[
\frac{a_{n+1}-\sqrt{ab}}{a_{n+1}+\sqrt{ab}}=\left( \frac{a_n-\sqrt{ab}}{a_n+\sqrt{ab}} \right) ^2.
\]
解得
\begin{align*}
a_n&=\frac{\left( a+\sqrt{ab} \right) ^{2^n}+\left( a+\sqrt{ab} \right) ^{2^n}}{\left( a+\sqrt{ab} \right) ^{2^n}-\left( a-\sqrt{ab} \right) ^{2^n}}\sqrt{ab},
\\
b_n&=\frac{\left( a+\sqrt{ab} \right) ^{2^n}-\left( a+\sqrt{ab} \right) ^{2^n}}{\left( a+\sqrt{ab} \right) ^{2^n}+\left( a-\sqrt{ab} \right) ^{2^n}}\sqrt{ab}.
\end{align*}

已知数列$\{a_n\},\{b_n\}$满足$a_0=a,b_0=b(a>0,b>0)$,且
\[\begin{cases}
a_{n+1}=\frac{2a_nb_n}{a_n+b_n}\\
b_{n+1}=\sqrt{a_{n+1}b_n}.
\end{cases}(n=0,1,2,\ldots)\]
试求$\{a_n\},\{b_n\}$的通项公式及极限.

由$b_{n+1}=\sqrt{a_{n+1}b_n}$可知
\[a_{n+1}=\frac{b_{n+1}^{2}}{b_n}.\]
由$a_{n+1}=\frac{2a_nb_n}{a_n+b_n}$可知
\[\frac{b_{n+1}^{2}}{b_n}=\frac{2\frac{b_{n}^{2}}{b_{n-1}}b_n}{\frac{b_{n}^{2}}{b_{n-1}}+b_n}=\frac{2b_{n}^{2}}{b_n+b_{n-1}},\]

\[
\left( \frac{b_n}{b_{n+1}} \right) ^2=\frac{1}{2}\left( 1+\frac{b_{n-1}}{b_n} \right).
\]
令$x_n=\frac{b_{n-1}}{b_n}$,则$x_{n+1}^2=\frac{1}{2}\left( 1+x_n \right)$且$x_1=\frac{b_0}{b_1}=\sqrt{\frac{a+b}{2a}}$.

若$0<b\leq a$,则$0<x_1\leq 1$,进一步可知$0<x_n\leq 1$.令$x_n=\cos2\theta_n$,则$x_{n+1}=\sqrt{\frac{1}{2}\left( 1+x_n \right)}=\cos\theta_n$,则$\theta_{n+1}=\frac{1}{2}\theta_n$,则
\[\theta _n=\frac{1}{2^n}\arccos \sqrt{\frac{a+b}{2a}},\quad x_n=\cos \left( \frac{1}{2^{n-1}}\arccos \sqrt{\frac{a+b}{2a}} \right).\]
因此
\begin{align*}
b_n&=b_0\Bigg/\prod_{k=1}^n{\cos \left( \frac{1}{2^{k-1}}\arccos \sqrt{\frac{a+b}{2a}} \right)}=b\Bigg/\frac{\sin \left( \text{2}\arccos \sqrt{\frac{a+b}{2a}} \right)}{2^n\sin \left( \frac{1}{2^{n-1}}\arccos \sqrt{\frac{a+b}{2a}} \right)}
\\
&=\frac{2^n\sin \left( \frac{1}{2^{n-1}}\arccos \sqrt{\frac{a+b}{2a}} \right)}{\sin \left( \text{2}\arccos \sqrt{\frac{a+b}{2a}} \right)}b,
\end{align*}

\[
a_n=\frac{b_{n}^{2}}{b_{n-1}}=\frac{2^n\tan \left( \frac{1}{2^{n-1}}\arccos \sqrt{\frac{a+b}{2a}} \right)}{\sin \left( \text{2}\arccos \sqrt{\frac{a+b}{2a}} \right)}b.
\]
特别地,若$a=2\sqrt{3},b=3$,利用$\arccos\frac{\sqrt{6}+\sqrt{2}}{4}=\frac{\pi}{12}$可知
\[
a_n=3\cdot 2^{n+1}\tan \frac{\pi}{3\cdot 2^{n+1}},\qquad b_n=3\cdot 2^{n+1}\sin \frac{\pi}{3\cdot 2^{n+1}}.
\]
此时$\lim_{n\rightarrow \infty}a_n=\lim_{n\rightarrow \infty}b_n=\pi$.

若$b\geq a>0$,则令$x_n=\frac{1}{2}\left( t_n+\frac{1}{t_n} \right)$,则
\[x_{n+1}=\sqrt{\frac{1}{2}\left( 1+x_n \right)}=\frac{1}{2}\left( \sqrt{t_n}+\frac{1}{\sqrt{t_n}} \right),\]
因此$t_{n+1}=\sqrt{t_n}$,由$x_1=\frac{1}{2}\left( t_1+\frac{1}{t_1} \right) =\sqrt{\frac{a+b}{2a}}$可知
\[t_1=\left( \sqrt{\frac{a+b}{2a}}\pm\sqrt{\frac{b-a}{2a}} \right) ^{1/2^{n-1}}.\]
因此
\[
x_n=\frac{1}{2}\left[ \left( \sqrt{\frac{a+b}{2a}}+\sqrt{\frac{b-a}{2a}} \right) ^{\text{1/}2^{n-1}}+\left( \sqrt{\frac{a+b}{2a}}-\sqrt{\frac{b-a}{2a}} \right) ^{\text{1/}2^{n-1}} \right],
\]

\begin{align*}
b_n&=\frac{2^{n-1}ab}{\sqrt{b^2-a^2}}\left[ \left( \sqrt{\frac{a+b}{2a}}+\sqrt{\frac{b-a}{2a}} \right) ^{\text{1/}2^{n-1}}-\left( \sqrt{\frac{a+b}{2a}}-\sqrt{\frac{b-a}{2a}} \right) ^{\text{1/}2^{n-1}} \right]
\\
a_n&=\frac{2^nab}{\sqrt{b^2-a^2}}\frac{\left( \sqrt{\frac{a+b}{2a}}+\sqrt{\frac{b-a}{2a}} \right) ^{\text{1/}2^{n-1}}-\left( \sqrt{\frac{a+b}{2a}}-\sqrt{\frac{b-a}{2a}} \right) ^{\text{1/}2^{n-1}}}{\left( \sqrt{\frac{a+b}{2a}}+\sqrt{\frac{b-a}{2a}} \right) ^{\text{1/}2^{n-1}}+\left( \sqrt{\frac{a+b}{2a}}-\sqrt{\frac{b-a}{2a}} \right) ^{\text{1/}2^{n-1}}}.
\end{align*}

原文地址:https://www.cnblogs.com/Eufisky/p/9906571.html

时间: 2024-11-01 16:41:50

各类平均与数列极限的相关文章

高等数学(4) 数列与数列极限

一.数列与数列极限 刘徽--割圆术 还可以表示为 xn= 1- 1/(2^n) 因为棒长是固定1 减去最后一天剩下的 也是截取的总长 1-1/(2^n)无限趋近于1 数列的定义 ·按自然数1,2,3,-编号依次排列的一列数 x1 x2 - xn - 称为无穷数列 简称数列 ·其中每个数称为数列的项,xn称为通项(一般项) 此数列可记为{xn} 例如 2 4 8 -2^n- {2^n} 问题 ·当n无限增大时 xn是否无限接近某一确定的数指 上面实验 当n无限增大时 数列{1+ ( (-1)^(n

一道用单调有界证明的数列极限题目

已知正数列$\{a_n\}$对任意自然数$m,n$满足$a_{m+n}\leqslant a_m+a_n$, 证明数列$\left\{\frac{a_n}{n}\right\}$收敛.\[ 0<a_n\leqslant a_{n-1}+a_1\leqslant a_{n-2}+2a_1\leqslant\cdots\leqslant na_1,\]\[ \frac{a_{n+1}}{n+1}-\frac{a_{n}}{n}=\frac{na_{n+1}-(n+1)a_n}{n(n+1)} =\f

MT【53】对数平均做数列放缩

[从最简单的做起]--波利亚 请看下面三道循序渐进不断加细的题. 评:随着右边的不断加细,解决问题的方法也越来越"高端".当然最佳值$ln2$我们可以用相对 容易的方法来证明: $\because ln(2k+1)-ln(2k-1)>\frac{1}{k}$两边$k$从$n+1$取到$2n$得$$ln2>\sum_{k=1}^{n}{\frac{1}{n+k}}$$

证明一个递归数列极限的存在

If ${x_{n + 1}} = \cos {x_n}$, prove that $\mathop {\lim }\limits_{n \to \infty } {x_n}$ exists. Note 1: As we want to prove that a limit of sequence exist, some methods can be used. $\left\{ {{x_n}} \right\}$ is bounded and monotonic, then $\left\{

高数重要极限证明原创中英文对照版

重要极限 Important Limit 作者 赵天宇 Author:Panda Zhao 我今天想在这里证明高等数学中的一个重要极限: Today I want to prove animportant limit of higher mathematics by myself: 想要证明上述极限,我们先要去证明一个数列极限: If we want to give evidence ofthe limit, first of all, there are a limit of a series

第1章:函数与极限

一.数列的极限: 01.数列极限的定义: 02.收敛数列的性质: 1.收敛数列的极限唯一 2.收敛数列一定有界 3.收敛数列的保号性 4.收敛数列的任一子数列收敛于同一极限 03.极限存在准则: 1.夹逼准则 2.单调有界数列必有极限 原文地址:https://www.cnblogs.com/jad-xxd/p/8310151.html

高等数学(5) 函数的极限

一.函数极限的概念 函数极限的引入 数列{xn}:xn = f(n) lim n->∞ xn=a : 当自变量n取正数而无限增大时,f(n)无限接近于确定的数a 函数的极限:在自变量的某个变化过程中,如果对应的函数值无限接近于某个确定的数,那么这个确定的数就叫做在一变化古城中的函数的极限 自变量变化的两种情况: 1.自变量x任意地接近于有限值x0(记作x->x0) 对应地函数值f(x)地变化情形 2.自变量x地绝对值|x|无限增大(记作x->∞) 对应地函数值f(x)的变化情形 自变量变

我爱你高等数学之函数与极限

第一节:映射与函数 1:映射,什么叫映射,什么叫逆映射,什么叫复合映射 2:函数,什么叫函数,什么叫反函数,什么叫复合函数,函数的性质有哪些(有界性,单调性,奇偶性,周期性) 第二节:数列的极限 1:数列的极限:什么叫数列的极限,什么叫收敛 2:收敛的数列有什么性质(唯一性.保号性.有界性,与自数列之间的相似性) 第三节:函数的极限 1:什么叫函数的极限(两种情况,一个趋近于定义域内的某个元素,一个是其绝对值趋近于无穷大),函数极限的定义 2:函数极限的形式(唯一性,局部保号性,局部有界性,函数

高等数学——讲透求极限两大方法,夹逼法与换元法

本文始发于个人公众号:TechFlow 今天的文章聊聊高等数学当中的极限,我们跳过极限定义以及一些常用极限计算的部分.我想对于一些比较常用的函数以及数列的极限,大家应该都非常熟悉. 大部分比较简单的函数或者数列,我们可以很直观地看出来它们的极限.比如\(\frac{1}{n}\),当n趋向于无穷大的时候,\(\frac{1}{n}\)的极限是0,再比如当n趋向于无穷大的时候,\(n^2\)的极限也是无穷大,等等.但是对于一些相对比较复杂的函数,我们一时之间可能很难直观地看出极限,因此需要比较方便