1. Trang chủ
  2. » Giáo án - Bài giảng

GT thang NC ung dung dinh ly stolz

17 560 0

Đang tải... (xem toàn văn)

Tài liệu hạn chế xem trước, để xem đầy đủ mời bạn chọn Tải xuống

THÔNG TIN TÀI LIỆU

Tên báo cáo: ỨNG DỤNG ĐỊNH LÝ STOLZ VÀ ĐỊNH LÝ CESARO TRONG GIẢI TOÁN GIỚI HẠN DÃY SỐ - Người báo cáo: Nguyễn Chiến Thắng – Giáo viên trường THPT Chuyên Võ Nguyên Giáp – Quảng Bình - Địa email: nguyenchienthang@chuyen-qb.com - Số điện thoại: 0914864224 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Dãy số lĩnh vực khó rộng, đề thi học sinh giỏi quốc gia, quốc tế thường xuất toán dãy số Để giải toán dãy số đòi hỏi người làm tốn phải có kiến thức tổng hợp số học, đại số, giải tích Các vấn đề liên quan đến dãy số đa dạng có nhiều tài liệu viết vấn đề này, tài liệu thường viết rộng vấn đề dãy số, vấn đề quan tâm nhiều tính chất số học tính chất giải tích dãy số Trong trình dạy bồi dưỡng học sinh giỏi phần giới hạn dãy số, đa số học sinh lung túng lựa chọn phương pháp giải đứng trước toán dãy số Tổng kết kinh nghiệm qua trình dạy bồi dưỡng học sinh giỏi, qua trao đổi kinh nghiệm với số giáo viên dạy giỏi mơn tốn Từ đó, xây dựng hệ thống tập điển hình gợi ý dạy học nhằm rèn luyện kỹ tìm giới hạn dãy số cách vận dụng định lý Stolz định lý trung bình Cesaro NỘI DUNG ĐỀ TÀI Định lý Stolz:  Định lý Stolz Cho hai dãy số thực (an )n1 ,(bn )n1 cho a) Dãy số (bn )n1 dãy tăng ngặt, không bị chặn an 1  an  L n  b  b n 1 n b) Tồn giới hạn lim a bn an  L n  b n Khi đó, dãy số ( n )n1 có giới hạn hữu hạn lim Chứng minh: Xét trường hợp L  giả sử (bn )n1 dãy tăng ngặt, lim bn   n  Với lân cận V  V(L) , tồn   cho (L  ;L  )  V Chọn  an  L, đó, tồn k  n  b n     Giả sử lim * cho | cho an 1  an  L |  , ta bn 1  bn thấy (L )(bn1  bn )  an1  an  (L  )(bn1  bn ), n  k Ta viết bất đẳng thức từ k tới n  ta có: (L )(bk 1  bk )  ak 1  ak  (L  )(bk 1  bk ) (L )(bk 2  bk 1 )  ak 2  ak 1  (L  )(bk 2  bk 1 ) … (L )(bn  bn1 )  an  an1  (L  )(bn  bn 1 ) Cộng tất bất đẳng thức ta có (L )(bn  bk )  an  ak  (L  )(bn  bk ) Vì lim bn   nên kể từ số hạng dãy ta có n  (L  )(1  bk a a b )  n  k  (L  )(1  k ) bn bn bn bn  (L  )  ak  (  L)b k an a  (  L)b k   (L  )  k bn bn bn ak  (  L)bk a  (  L)bk  lim k 0 n  n  bn bn Vì lim Nên tồn số p  * cho n  p ta có ak  (  L)bk ak  (  L)bk ,  (  ;   ) bn bn Suy ak  (  L)b k a  (  L)b k     k    bn bn Chọn m  max{k, p} , n  m ta có L    an  L   , tức bn an a  V  lim n  L n  b bn n Phần lại chứng minh định lý L   , trường hợp chứng minh tương tự cách chọn V  (, ) V  (, ) , tương ứng t: Chọn dãy (vn )n1 với số hạng tổng quát  n vn1   nên từ định lí stolz ta có Nh n  Định lý trung bình Cesaro Nếu dãy số (un) có giới hạn hữu hạn L dãy số trung bình cộng  u1  u2   un    có giới hạn L n   Chứng minh  Với   , lim un  L nên có số tự nhiên k để n  k ta có un  L  Với n  k , xét: u1  u2   un u  u   uk  kL (uk 1  L)  (uk 2  L)   (un  L) L   n n n  u1  u2   uk  kL (n  k ) u1  u2   uk  kL uk 1  L  uk   L   un  L     n n n n  u1  u2   uk  kL   n Tồn số tự nhiên m cho u1  u2   uk  kL   m Khi đó, với n  m ta có u1  u2   uk  kL   n Suy ra, với n  maxk ; m ta có Vậy lim u1  u2   un  L   n u1  u2   un  L n  Định lý phát biểu dạng tương đương sau: Nếu lim  un1  un   L lim n n  un L n Chứng minh: Ta cần chứng minh cho trường hợp L = Vì nlim  un1  un   L nên với  > tồn N0 cho với n  N0, ta  có un1  u n   Khi đó, với n > N0 ta có un 1   uN  u N 1  u N   un  un1  u N   n  N  n n n n  0  Giữ N0 cố định, ta tìm N1>N0 cho N1 u N  u un  2 Vậy nên lim n  n  n n Khi với n>N1 ta có Ứng dụng: 1k  2k   n k n  n k 1 Ví dụ 1: ho số nguyên dương ính lim Chứng minh: Xét hai dãy (un )n1 , (vn )n1 với un  1k  2k   nk ,vn  nk 1 ta có (vn )n1 tăng lim   n  Khai triển nhị thức Niu-tơn ta có k 1 (n  1) k 1 n k 1  C i0 k 1 i i k 1 n n k 1 k  (k  1)n  C i i k 1 n i0 k 1 o số hạng tổng hữu hạn gồm k số hạng C i i k 1 n ậc n cao i0 k 1 k-1 nên lim C i i k 1 n i0 nk n  un 1  un (n  1)k  lim  Từ ta có lim n  v  n (n  1)k 1  n k 1 n 1 u 1k  2k   n k  lim n  k  n  n  v k 1 n n heo định lí stolz suy lim Ví dụ 2: Cho (xn )n1 dãy số thực với xn  0, n  lim n  n  n lim n  k 1 xn xn   Chứng minh n  Giải: heo định lý Stolz, ta có lim n  n  n k 1 xn  lim n  xn n 1  n  lim n 1  n n  xn  lim n  n 1 x n 1  n Ví dụ 3: Cho (xn )n1 dãy số thực với x n   k.k! k 1 (n  1)! Tìm giới hạn dãy số (xn )n1 Giải: heo định lý Stolz, ta có lim x n  lim n  n  (n  1)(n  1)! (n  1)(n  1)! lim  n  (n  2)! (n  1)! (n  1)(n  1)! x1  Tìm giới hạn x  x  x   x  n 1 n Ví dụ 4: Cho (xn )n1 dãy số thực với  dãy số (un )n1 , với un  xn , n  n Giải: Tất số hạng dãy số (xn )n1 số dương x2n1  x2n  xn , n  Dãy số (x n )n1 dãy tăng ngặt o đó, dãy số (xn )n1 bị chặn dãy số (xn )n1 tồn giới hạn hữu hạn L Qua phương trình giới hạn ta có, L2  L2  L  L  Điều trái với giả thiết xn  1, n  Do vậy, lim xn   n  Lại có, x2n 1 x n x , n  Suy ra, lim n 1  n  x xn n  1 heo định lý Stolz, ta có xn x x x2  x2 xn 1  lim n 1 n  lim n 1 n  lim  lim   n  n n  (n  1)  n n  x  x n n x n 1  x n n x n 1 11 n 1 1 xn lim Ví dụ 5: Tìm lim n  ln(n!)  n ln(n) n Giải: heo định lý Stolz, ta có ln(n!)  n ln(n) ln(n  1)  (n  1) ln(n  1)  n ln(n)  lim n  n  n (n  1)  n lim ln(1  ) n )  1  lim (n ln(n  1)  n ln(n))  lim ( n  n  n n Ví dụ 6: Cho (xn )n1 dãy số thực với lim x n n  x k  Chứng minh k 1 lim 3nx n  n  n Giải: Ta có Sn   x , (x S ) tiến tới Dãy (S ) dãy tăng ngặt Nếu (S ) hội k n n n n k 1 tụ tới L x n   có Sn  L n o đó, ta có lim Sn  lim n  n  x k 1 k n x k   Điều mâu thuẫn k 1   lim x n  n Hơn nữa, lim xn Sn  lim (S3n  S3n1 )  lim x2n (S2n  SnSn1  S2n1 )  n  n n heo định lý Stolz, ta có 3 3nx n Sn S3n S3  S3n 1 3n   lim 3nx n  lim 1  lim n  Ta suy ra, lim n  S n  n  n  n n  n  (n  1) S n n lim 0  x1  Ví dụ 7: Cho (xn )n1 dãy số thực với   x n 1  x n  x n , n  Chứng minh lim nx n  n  Giải: Ta có dãy (xn )n1 dãy giảm bị chặn Nên (xn )n1 tồn giới hạn hữu hạn L Khi đó, L  L  L2  L  Xét dãy số y n  , n  heo định lý Stolz, ta có xn yn y y x  x n 1 x 2n  lim n 1 n  lim n  lim lim  n  n n  (n  1)  n n  x x n  x (x  x ) n   x n n 1 n n n n lim Ví dụ 8: Cho (xn )n1 x1   dãy số thực với  Tìm giới hạn x2n  x  ,  n   n 1  n 1 n sau lim x k 1 n n  k k k 1 Giải: Sử dụng quy nạp ta có  xn  2, n   x n 1  22   n   n 1 heo định lý Stolz, ta có n lim x k 1 n n   k 1 k xn x 2n 1   lim  lim n  n n n n k * Ví dụ 9: ho dãy số (un )n1 xác định u1  un1  u1  u2   un , n  un n  n ính lim thấy un  0, n  Giải: * u2n1  u1  u2   un  u2n1  u2n  un  0, n  * iả sử tồn lim un  a , từ đẳng thức Do (un )n1 dãy tăng n  u2n1  u2n  un chuyển qua giới hạn thu a2  a2  a  a  v lí, (un )n1 tăng u1  ) ậy lim un   n  lim (un 1  un )  lim ( u2n  un  un )  lim n  n  n  un n u  un  un  lim n  1 1 un  un  n  n heo định lí stolz suy lim Ví dụ 10: ho dãy số (un )n1 xác định u1  2 un1    4un , n  * ính lim nun n  Giải: a có un1  2un   4un Mặt khác, un 1    4un  2un 1     4un  4u2n 1  4un 1    4un  un1  un  u2n1   un1  un , n  * (2) suy (un )n1 có giới hạn iả sử lim un  a , từ đẳng thức n  un1  un  u2n1 chuyển qua giới hạn ta a2  a  a  a  a có 1 1     un 1 un un 1 un 1  un 1  un 1 Suy ra, lim ( n  1  )  lim ( )  1 n  un 1 un  un 1  1  lim nu n  1 n  nu n heo định lí stolz, ta có lim n  Cho dãy số  xn  với n  1, 2, xác định bởi: Ví dụ 11: x1  a,  a  1   x2  x  x – lnx (n  *) n n  n  n 1 Đặt Sn   (n  k )ln x2 k 1 k 1 S  (n  2) Tìm lim  n  n   n  Giải: Nhận xét x2n  1, n  1, 2, ln1  suy nlim x2 n   Tiếp theo ta chứng minh dãy  x2 n1  có giới hạn 1 x Xét hàm số f  x   x – lnx liên tục đồng biến (1; ) f ’  x     với x  rước hết, ta chứng minh phương pháp quy nạp, dãy  x2 n1  bị chặn Theo giả thiết x1  a  , giả sử x2k 1  f  x2k 1   f 1  nên hiển nhiên x2k 3  tức dãy  x2 n1  bị chặn Tiếp theo ta chứng minh dãy  x2 n1  dãy giảm Thật vậy, x2n1  nên lnx2 n1  x2n3 – x3n1   lnx2 n1  0, tức dãy  x2 n1  dãy giảm x2 n1 Chuyển qua giới hạn dãy số Từ suy  x2 n1  có giới hạn c  nlim  ta c  c – lnc  c  Vậy dãy số  xn  có giới hạn  x1  x2   x2 n 2n  heo định lý Cessaro, ta có nlim     1   ( x1  x3   x2 n1 )  ( x2  x4   x n )   1 2n   hay nlim    nx  (n  1)ln x1  (n  2)ln x3   ln x2 n3  n   lim   1 n  2n   a S 1 S  lim   n    hay lim  n x  x  n 2   n  a 1   Ví dụ 12: Cho dãy số  un  : u1   0;1 ; un1  un  un2 n  Tìm giới hạn lim n  n 1  nun  ln n Giải: Ta chứng minh nlim un  Thật vậy, ta có   u   u1   u2  u1 1  u1       u2   0;1 , quy nạp ta un   0;1 n   u n  a Chuyển qua giới hạn biểu D thấy dãy cho giảm nên suy tồn nlim  un  Áp dụng định lý thức truy hồi cho ta có a  a  a2  a  Vậy nlim  trung bình Cesaro ta có un  un  un2  un un  un 1 1 lim  lim  lim     lim  lim  lim 1 n  nu n  n n  u n  n   u un  un un n n  n 1 un  n un 1un      lim nun  n  Áp dụng định lý Stolz ta có n n 1  nun  nun 1  nun   nun un lim  lim  lim  nun  lim  lim n  n  n  n  ln n ln n un ln n un ln n 1 1  1   n  1   n u 1  un  un u un nun  lim n 1  lim n  lim  1 n  n  n  n 1  1   ln e ln  n  1  ln n  ln 1  un  ln 1   n  n Ví dụ 13: Cho dãy số dương  xn  Chứng minh lim xn 2n  x1  thỏa mãn  x  x  , n  n  n  x n   10 Giải Từ công thức truy hồi d thấy  xn  dãy số dương tăng, nên  xn  bị chặn suy tồn lim xn  a Cho công thức truy hồi qua giới hạn ta thu a a a  a    v lý o dãy  xn  khơng bị chặn hay lim xn   Ta có lim xn 2n   lim xn2  , áp dụng định lý trung 2n ình esaro đưa tính  x2  x2  lim  n 1 n    Từ công thức truy hồi suy xn21  xn2   lim xn21  xn2 1     , n   xn 2 xn x  Vậy lim n  xn 2n 0  a1  Ví dụ 14: Cho dãy số  an  xác định sau   an 1  an 1  an  , n  * Chứng minh a) lim  n.an   b) lim n 1  an  1 ln n Giải Bằng phương pháp quy nạp ta chứng minh an   0;1 , n  * Lại có an1  an  an2  an , n  Dẫn đến dãy  an  dãy giảm bị chặn nên có giới hạn hữu hạn, lim an  a Cho công thức truy hồi qua giới hạn ta có a  a 1  a   a   lim an  a) Xét a  a  an 1 a a   n n 1  n n   an1 an an1an an 1  an   an Áp dụng định lý rung ình esaro ta suy lim   lim n.an  n.an   nan   n  n an n 1  nan  an    lim b) Ta có lim , lim nan  , nên ta tính lim ln n ln n ln n 11     1  n  1    n  1  1  an 1 an  an an an 1 an     Xét lim  lim  lim  lim n 1 ln  n  1  ln n  1  1 ln ln 1    an  ln 1    n  n  n  lim nan 1  an  ln 1    n n 1 n n 1  nan  an Áp dụng định lý Stolz suy lim   Dẫn đến lim ln n ln n 0  a1   Ví dụ 15: Cho dãy số  an  xác định sau   an 1  sin an , n  * Chứng minh lim n an  Giải Bằng phương pháp quy nạp ta chứng minh an   0;   , n  Xét hàm số f  x   x  sin x, x  0;   , có f '  x    cos x  0, x  0;   Suy f  x  đồngi biến  0;    f  x   f  0  0, x   0;    x  sin x, x   0;   Ta có an1  sin an  an , n  , dẫn đến  an  dãy số tăng, mà lại bị chặn nên có giới hạn hữu hạn, lim an  a Cho công thức truy hồi qua giới hạn tìm a  sin a  a   lim an   1   1  a  sin a Xét lim     lim     lim n 2 n an sin an  an1 an   sin an an  Áp dụng quy tắc L’Hospital thu x  sin x x  sin x  2cos x lim  lim  lim x 0 x sin x x 0 x.sin x  x sin x x 0 2.sin x  x.sin x  x cos x  lim x 0 1 x  x  cos x    cos x sin x  sin x    1   lim      an 1 an  12 Áp dụng định lý Trung bình Cesaro suy lim Ví dụ 16: Cho dãy số  an  Chứng minh lim   lim n an  n.an2 a1   xác định sau an 1  an  n , n   ak   k 1 an ln n  Giải Bằng phương pháp quy nạp chứng minh an  , n  Từ công thức truy hồi suy  an  dãy số tăng 2 n 1 Lại có, a    1  2   an     an    an  , lặp lại trình n lần thu a1   an   n.an  n  1 an21  an2    a12       1 n n Do lim        , nên suy lim an   n 1 1 Mặt khác an1  an  a 1   n1   nan an nan (1) Áp dụng định lý Stolz, ta có n  an21  an2  an2 an21  an2 n lim  lim  lim  lim  an21  an2  n n 1 ln n  1 ln ln    n  n  2an nan n  lim     lim 2  a1  a2   an  a1  a2   an   a1  a2   an Vì  lim n  a1  a2   an    n   , Áp dụng định lý Stolz ta có : n  n  1 an1  nan  lim  n   n an   nan  lim   a1  a2   an an 1 an 1   13  1 1  1   a n  an Vì 1   n   n n    n   , lim an   an 1 1 nan Bài t p rèn luyện x n 1  x n  L  Chứng minh n  n Bài t p 1: Cho (xn )n1 dãy số thực cho lim lim ( x n 1 n  n 1 (n  1)!  xn n n! ) eL Bài t p 2: ho dãy số (un )n1  u1  xác định   un 1  un  u2 ,n   n 0  u1  Bài t p 3: ho dãy (un )n1 xác định ởi    un 1  un (1  un ),n  * u * n Tính nlim  n ính lim nun n  0  u1 Bài t p 4: ho dãy (un )n1 xác định ởi  * 2012 2012u   1,n   n  un 1  ính u1  u2   un n  ln n lim Bài t p 5: ho dãy số (un )n1 ính lim n  un ln n  u1   xác định ởi  un 1  un     ,n  n u * i i 1 u  Bài t p 6: ho dãy số (un )n1 xác định ởi  u   un 1  e  1,n  n * ính lim nun n  14 Bài t p 7: ho dãy số (un )n1  u  xác định ởi   u  u  u2 ,n   n 1 n n ìm tất * số thực  cho dãy số  n (nun  1) có giới hạn hữu hạn khác  u1  0, u2  Bài t p 8: ho dãy số (un )n1 xác định ởi   e n 1 Đặt Sn   un   e u  un ,n  n * Sn n  n (n  k)u2k 1 ính lim k 1 n 0 n  u n Bài t p 9: ho dãy số nguyên (un )n1 thỏa mãn lim hứng minh tồn số nguyên dương k cho có 2012 số phương nằm u1  u2   un u1  u2   un1 Bài t p 10: Cho k số nguyên dương dãy số (un )n1 xác định  0  u1   k   un 1  un (1  un ),n  * ính lim k nun Bài t p 11: ho dãy (un )n1 n   u1   xác định ởi  u  un  ,n   n 1 2012 u n  * un ìm tất số thực  cho dãy số ( ) có giới hạn hữu hạn khác n 15 PHẦN KẾT LUẬN Dãy số lĩnh vực rộng khó, tốn dãy số đa dạng rong đề tài đề cập ứng dụng định lý Stolz định lý trung bình Cesaro để giải số toán giới hạn dãy số Đề tài chọn lọc ài toán điển hình, đặc biệt có nhiều tốn đề thi học sinh giỏi quốc gia, quốc tế năm gần qua thấy vai trò quan trọng định lý Stolz định lý trung bình Cesaro Qua trình áp dụng đề tài vào thực tế giảng dạy, đặc biệt trình tham gia dạy đội tuyển học sinh giỏi tơi nhận thấy học sinh có thêm phương pháp để giải tốn giới hạn dãy số khó vận dụng cơng cụ khác, học sinh có hứng thú chủ động học tập Khi thực đề tài nhận thấy lực tư kĩ thực thao tác tư tăng lên rõ rệt từ học sinh có cách nhìn nhanh hơn, tốt giải tập Do thời gian hạn chế nên đề tài mối khai thác ứng dụng định lý Stolz định lý trung bình Cesaro vào tốn dãy số mà chưa khai thác phương pháp khác Hy vọng thời gian tới, tác giả hoàn thiện chuyên đề dãy số phục vụ cho dạy bồi dưỡng học sinh giỏi THPT Tuy nhiên, viết tài liệu tham khảo tốt cho thầy cô dạy bồi dưỡng học sinh giỏi toán THPT em học sinh giỏi mơn tốn 16 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Phan Huy Khải, Chuyên đề bồi dưỡng học sinh giỏi toán thpt toán dãy sồ , NXB Giáo dục 2007 [2] Phan Huy Khải, 10.000 toán sơ cấp dãy số giới hạn, NXB Hà Nội 1997 [1] Nguy n ũ Lương chủ biên), Nguy n Lưu Sơn, Nguy n Ngọc Thắng, Phạm ăn Hùng, Các giảng số học, NXB Đại học Quốc gia Hà nội 2006 [3] Nguy n ăn Mậu, Kỷ yếu trại hè Hùng Vương năm 2010 [4] Nguy n ăn Mậu (chủ biên), Nguy n ăn iến, Một số chuyên đề giải tích bồi dưỡng học sinh giỏi trung học phổ thơng NXB Giáo dục Việt Nam 2009 [5] Nguy n Sinh Tiến, Nguy n ăn Nho, Lê Hồnh Phò, Tuyển tập dự tuyển Olympic Toán học quốc tế 1991 – 2001, NXB Giáo dục 2003 [6] Nguy n Đ , Nguy n Khánh Nguyên (dịch), Các đề thi vô địch Tốn 19 nước – có Việt Nam, NXB Giáo dục 1996 17 ... với số hạng tổng quát  n vn1   nên từ định lí stolz ta có Nh n  Định lý trung bình Cesaro Nếu dãy số (un) có giới hạn hữu hạn L dãy số trung bình cộng  u1  u2   un    có giới hạn...  v k 1 n n heo định lí stolz suy lim Ví dụ 2: Cho (xn )n1 dãy số thực với xn  0, n  lim n  n  n lim n  k 1 xn xn   Chứng minh n  Giải: heo định lý Stolz, ta có lim n  n... KẾT LUẬN Dãy số lĩnh vực rộng khó, tốn dãy số đa dạng rong đề tài đề cập ứng dụng định lý Stolz định lý trung bình Cesaro để giải số toán giới hạn dãy số Đề tài chọn lọc ài tốn điển hình, đặc biệt

Ngày đăng: 03/05/2018, 12:39

Xem thêm:

TỪ KHÓA LIÊN QUAN

w