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数学
题目

例2.3.9 用柯西收敛准则证明数列 {a)_(n)} = dfrac {sin 1)(2)+dfrac (sin 2)({2)^2}+... +dfrac (sin n)({2)^n}} 收敛.

题目解答

答案

解析

考查要点:本题主要考查柯西收敛准则的应用,以及如何通过估计部分和的差来证明数列收敛。

解题核心思路:

  1. 柯西收敛准则指出,数列收敛当且仅当对于任意的$\varepsilon > 0$,存在正整数$N$,使得当$m > n > N$时,$|a_m - a_n| < \varepsilon$。
  2. 题目中的数列$\{a_n\}$是部分和形式,需通过分析部分和的差$|a_m - a_n|$的绝对值来构造不等式。
  3. 利用三角不等式将差的绝对值转化为各项绝对值之和,并结合几何级数求和公式进行放缩,最终找到满足条件的$N$。

破题关键点:

  • 放缩技巧:利用$|\sin k| \leq 1$将原式中的$\sin k$项替换为常数项,简化分析。
  • 几何级数求和:将放缩后的和转化为几何级数,通过求和公式得到上界,从而控制$|a_m - a_n|$的大小。

步骤1:写出部分和的差
当$m > n$时,
$a_m - a_n = \sum_{k=n+1}^m \frac{\sin k}{2^k}.$

步骤2:应用三角不等式
取绝对值后,
$|a_m - a_n| \leq \sum_{k=n+1}^m \left| \frac{\sin k}{2^k} \right| \leq \sum_{k=n+1}^m \frac{1}{2^k}.$

步骤3:计算几何级数的和
对$\sum_{k=n+1}^m \frac{1}{2^k}$求和:

  • 首项为$\frac{1}{2^{n+1}}$,公比为$\frac{1}{2}$,
  • 和为$\frac{1}{2^{n+1}} \cdot \frac{1 - (\frac{1}{2})^{m - n}}{1 - \frac{1}{2}} = \frac{1}{2^{n}} \left(1 - \frac{1}{2^{m - n}}\right)$.

步骤4:估计上界
由于$1 - \frac{1}{2^{m - n}} < 1$,故
$|a_m - a_n| < \frac{1}{2^{n}}.$

步骤5:应用柯西收敛准则
对任意$\varepsilon > 0$,取$N$使得$\frac{1}{2^{N}} < \varepsilon$(例如$N > \log_2 \frac{1}{\varepsilon}$)。当$m > n > N$时,
$|a_m - a_n| < \frac{1}{2^{n}} \leq \frac{1}{2^{N}} < \varepsilon.$
因此,数列$\{a_n\}$满足柯西收敛准则,故收敛。

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