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数学
题目

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

题目解答

答案

解析

考查要点:本题主要考查数列极限的夹逼准则(也称两边夹逼定理)的应用,以及通过构造适当的不等式来求解和式极限的方法。

解题核心思路:

  1. 构造下界:利用分母递增性,将每个项放大到最小分母对应的项,得到总和的下界。
  2. 构造上界:利用分母递增性,将每个项缩小到最大分母对应的项,得到总和的上界。
  3. 计算上下界的极限:通过化简上下界表达式,证明它们的极限均为1。
  4. 应用夹逼准则:根据夹逼准则,原式极限也为1。

破题关键点:

  • 分母的递增性:分母$\sqrt{n^2 + k}$随$k$增大而增大,因此$\frac{1}{\sqrt{n^2 + k}}$随$k$增大而减小。
  • 上下界的构造:通过比较分母的最小值和最大值,找到总和的上下界。

构造下界

每个项$\frac{1}{\sqrt{n^2 + k}}$($k=1,2,\dots,n$)的分母$\sqrt{n^2 + k} \leq \sqrt{n^2 + n}$,因此:
$\frac{1}{\sqrt{n^2 + k}} \geq \frac{1}{\sqrt{n^2 + n}}.$
总和共有$n$项,故:
$\sum_{k=1}^n \frac{1}{\sqrt{n^2 + k}} \geq n \cdot \frac{1}{\sqrt{n^2 + n}} = \frac{n}{\sqrt{n^2 + n}}.$

化简下界

将$\frac{n}{\sqrt{n^2 + n}}$化简:
$\frac{n}{\sqrt{n^2 + n}} = \frac{n}{n \sqrt{1 + \frac{1}{n}}} = \frac{1}{\sqrt{1 + \frac{1}{n}}}.$
当$n \to \infty$时,$\frac{1}{n} \to 0$,因此:
$\lim_{n \to \infty} \frac{1}{\sqrt{1 + \frac{1}{n}}} = 1.$

构造上界

每个项$\frac{1}{\sqrt{n^2 + k}} \leq \frac{1}{n}$(因为$\sqrt{n^2 + k} \geq n$),总和为:
$\sum_{k=1}^n \frac{1}{\sqrt{n^2 + k}} \leq \sum_{k=1}^n \frac{1}{n} = 1.$

应用夹逼准则

下界$\frac{n}{\sqrt{n^2 + n}}$和上界$1$的极限均为$1$,根据夹逼准则:
$\lim_{n \to \infty} \sum_{k=1}^n \frac{1}{\sqrt{n^2 + k}} = 1.$

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