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数学
题目

lim _(narrow infty )n(dfrac (1)({n)^2+pi }+dfrac (1)({n)^2+2pi }+... +dfrac (1)({n)^2+npi })=1;

;

题目解答

答案

两端极限:

∴由夹逼定理得:

解析

考查要点:本题主要考查数列极限的计算,特别是利用夹逼定理处理和式极限的方法。

解题核心思路:

  1. 观察和式的结构:每一项的分母为$n^2 + k\pi$,其中$k$从$1$到$n$。
  2. 寻找和式的上下界:通过比较分母的大小,找到每一项的最小值和最大值,进而估计整个和式的范围。
  3. 应用夹逼定理:将和式乘以$n$后,分别求出上下界的极限,若两者相等,则原极限等于该值。

破题关键点:

  • 分母的极值分析:当$k$增大时,分母$n^2 + k\pi$增大,因此$\frac{1}{n^2 + k\pi}$单调递减。
  • 上下界构造:利用最小项和最大项构造和式的上下界,再结合$n$的倍数关系,形成可求极限的表达式。

步骤1:分析和式的上下界
对于$k=1,2,\dots,n$,分母$n^2 + k\pi$满足:
$n^2 + \pi \leq n^2 + k\pi \leq n^2 + n\pi.$
因此,每一项满足:
$\frac{1}{n^2 + n\pi} \leq \frac{1}{n^2 + k\pi} \leq \frac{1}{n^2 + \pi}.$

步骤2:求和并乘以$n$
将不等式逐项相加,得到:
$n \cdot \frac{1}{n^2 + n\pi} \leq \sum_{k=1}^n \frac{1}{n^2 + k\pi} \leq n \cdot \frac{1}{n^2 + \pi}.$
再乘以$n$,得:
$n \cdot \frac{n}{n^2 + n\pi} \leq n \sum_{k=1}^n \frac{1}{n^2 + k\pi} \leq n \cdot \frac{n}{n^2 + \pi}.$

步骤3:计算上下界的极限

  • 下界:
    $\lim_{n \to \infty} \frac{n^2}{n^2 + n\pi} = \lim_{n \to \infty} \frac{1}{1 + \frac{\pi}{n}} = 1.$
  • 上界:
    $\lim_{n \to \infty} \frac{n^2}{n^2 + \pi} = \lim_{n \to \infty} \frac{1}{1 + \frac{\pi}{n^2}} = 1.$

步骤4:应用夹逼定理
由于上下界的极限均为$1$,根据夹逼定理,原极限为$1$。

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