SKKN giới hạn dãy số trong các đề thi học sinh giỏi

Nguyễn Văn Giáp - THPT Nguyễn Trung Ngạn: Giới hạn dãy số đề thi HS giỏi MỞ ĐẦU Lý 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 tốn dãy số địi 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 Tính chất số học dãy số thể tính chia hết, tính nguyên, tính phương… , tính chất giải tích có nhiều dạng quan trọng tốn tìm giới hạn dãy số Các toán dãy số thường tốn hay khó, tác giả sưu tầm, chọn lọc phân loại theo chủ đề Sáng kiến kinh nghiệm với đề tài “Giới hạn dãy số đề thi học sinh giỏi” có mục đích trình bày cách hệ thống, chi tiết giới hạn dãy số Đề tài trình bày với chương Chƣơng Một số kiến thức chuẩn bị Chương hệ thống lại kiến thức dãy số, số học, phương pháp sai phân dùng để giải toán chương Chƣơng Giới hạn dãy số Chương đề cập đến số toán giới hạn dãy số như: Giới hạn tổng, dãy hội tụ dãy số, dãy số xác định phương trình với phương pháp giải cụ thể cho tng dng toỏn Mục đích nhiệm vụ nghiên cứu Nghiên cứu lí luận kỹ năng, kỹ giải toán số biện pháp rèn luyện kỹ giải toán cho học sinh THPT Rèn luyện kỹ gii cỏc bi toỏn v gii hn dóy s Tìm hiểu thực trạng vic học dãy số chương trình mơn tốn trường THPT sinh gii Tìm hiểu toán khú v giới hạn dãy số đề thi học  Xây dựng hệ thống tập điển hình nhằm rèn luyện kỹ tng hp kin thc i vi hc sinh gii Gợi ý cách vận dụng hệ thống tập điển hình việc rèn luyện kỹ giải toán nói chung, góp phần phát triển trí tuệ cho hc sinh Phơng pháp nghiên cứu a) Phơng pháp nghiên cứu lý luận: Nghiên cứu số giáo trình phơng pháp dạy học môn toán, SGK phổ thông, Sách bồi dng giáo viên THPT, sách tham khảo, tạp chí giáo dục liên quan đến đề tài b) Phơng pháp tổng kết kinh nghiệm: Tổng kết kinh nghiệm qua nhiều năm trực tiếp giảng dạy, qua trao đổi kinh nghiệm với số giáo viên giỏi môn Toán trng THPT Từ xây dựng đợc hệ thống tập điển hình gợi ý dạy học nhằm rèn luyện kỹ tỡm gii hn hm s c) Phơng pháp quan sát, điều tra: Quan sát điều tra thực trạng dạy học giải toán v dóy s học sinh lớp 11 v 12, qua nắm bắt đc nhu cầu việc rèn luyện kỹ gii toỏn v dãy số học sinh Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu Đề tài nghiên cứu học sinh lớp 11A1, 11A2, 11A3 học sinh đội tuyển học sinh giỏi toán lớp 12 trường THPT Nguyễn Trung Ngạn Thời gian nghiên cứu Đề tài nghiên cứu năm học 2009 – 2010, 2010 – 2011, 2011- 2012 Chƣơng MỘT SỐ KIẾN THỨC CHUẨN BỊ 1.1.DÃY SỐ 1.1.1.Định nghĩa Mỗi hàm số u xác định tập số nguyên dương N* gọi dãy số vô hạn (gọi tắt dãy số) Kí hiệu: u: N* n R u(n) Dãy số thường viết dạng khai triển u1, u2, u3,…, un, … Trong un = u(n) gọi u1 số hạng đầu, un số hạng thứ n số hạng tổng quát dãy số Mỗi hàm số u xác định tập M = {1,2,3,…, m} với m N* gọi dãy số hữu hạn Dạng khai triển u1, u2, u3,…,um u1 số hạng đầu, um số hạng cuối Dãy số (un) gọi là: -Dãy đơn điệu tăng un+1 > un, với n = 1, 2, … - Dãy đơn không giảm un+1 un, với moi n = 1, 2, … -Dãy đơn điệu giảm un+1 < un, với n = 1, 2, … - Dãy đơn điệu không tăng un+1 un, với n = 1, 2, … Dãy số (un) gọi -Dãy số bị chặn tồn số M cho un < M, với n = 1, 2, … -Dãy số bị chặn tồn số m cho u n > m, với n = 1, 2, … -Dãy số bị chặn vừa bị chặn vừa bị chặn Dãy số (un) gọi tuần hồn với chu kì k un + k = un, với n Dãy số (un) gọi dãy dừng tồn số N0 cho un = C với n N0, (C số, gọi số dừng) 1.1.2 Cách cho dãy số - Dãy số cho cơng thức số hạng tổng qt Ví dụ: un - Dãy số cho phương pháp truy hồi Ví dụ: Dãy số (un) xác định bởi: u 1,u2 u 4un n -Dãy số cho phương pháp mơ tả: Ví dụ: Cho a1 = 19, a2 = 98 Với số nguyên n 1, xác định an +2 số dư phép chia an + an +1 cho 100 1.1.3 Một vài dãy số đặc biệt a) Cấp số cộng Định nghĩa Dãy số u1, u2, u3, … gọi cấp số cộng với công sai d (d 0) un = un – + d với n = 2, 3, … Tính chất un =u1 + (n – 1)d uk = u k u k với k =2, 3, … Nếu cấp số cộng hữu hạn phần tử u1, u2, …, un u1 + un = uk + u n – k với k = 2, 3, …, n – Sn = u1 + u2 + … + un = b)Cấp số nhân Định nghĩa Dãy số u1, u2, u3, … gọi cấp số nhân với công bội q (q 0, q 1) un = un – 1q với n = 2, 3, … Tính chất un = u1qn – u k2u k uk Sn = u1 + u2 c)Dãy Fibonacci Định nghĩa Dãy u1, u2,… xác định sau: u1 un gọi dãy Fibonacci Bằng phương pháp sai phân tìm cơng thức tổng qt dãy là: un 1.1.4 Giới hạn dãy số Định nghĩa Ta nói dãy số (un) có giới hạn số thực a hữu hạn với số dương (có thể bé tùy ý), ln tồn số n N (n0 phụ vào thuộc vào ln có un số (un) hội tụ a Dãy số không hội tụ gọi dãy phân kì Định lý Nếu dãy số hội tụ giới hạn Định lý 2.(Tiêu chuẩn hội tụ Weierstrass) a) Một dãy số đơn điệu bị chặn hội tụ b) Một dãy số tăng bị chặn hội tụ c) Một dãy số giảm bị chặn hội tụ Định lý Nếu (un) a (vn) (un), (vn) C (vn) a Định lý 4.(Định lý kẹp giới hạn) Nếu với n n0 ta ln có un xn limun = limvn = a limxn = a Định lý (Định lý Lagrange) Nếu hàm số y = f(x) liên tục đoạn [a; b] có đạo hàm khoảng (a; b) tồn c (a; b) thỏa mãn: f(b) – f(a) = f’(c)(b – a) Định lý (Định lý trung bình Cesaro) Nếu dãy số (un) có giới hạn hữu hạn a dãy số trung bình cộng u1 u2 un có giới hạn a n Định lý phát biểu dạng tương đương sau: Định lý Stolz Nếu l i m u n u n n Ta cần chứng minh cho trường hợp a = a Vì l i m un n có u u n n un a nên với > tồn N0 cho với n N0, ta un uN n n Giữ N0 cố định, ta tìm N1>N0 cho Khi với n>N1 ta có Định lý 7: Cho f: D D hàm liên tục Khi 1) Phương trình f(x) = x có nghiệmphương trình fn(x) = x có nghiệ 2) Gọi lim [f(x) x có nghiệm Trong fn(x) = f ( f ( ( f ( x ) ) n lân Chứng minh 1) a) Nếu x0 nghiệm phương trình f(x) = x x0 nghiệm phương trình fn(x) = x b) Nếu phương trình f(x) = x vơ nghiệm f(x) – x > f(x) – x < với x D fn(x) – x > fn(x) – x < với x D nên phương trình fn(x) = x vơ nghiệm 2) a)Giả sử phương trình f(x) = x có nghiệm x nghiệm phương trình fn(x) = x Đặt F(x) = f(x) – x F(x) liên tục (x0; ) Nếu ;x0 nên F(x) giữ nguyên dấu lim [ f ( x ) x] ) x] dương F(x) > x x khoảng (x0; l i m [ f ( x ) ;x0 suy f(x) > x với x D\{x0} Xét x1 D\{x0} suy f(x1) > x1 f(f(x1)) > f(x1)> x1 Từ fn(x1) > x1 nên x1 khơnglà nghiệm phương trình fn(x) = x Vậy phương trình fn(x) = x có nghiệm x = x0 Nếu lim [ f ( x ) x] x l i m [ f ( x ) x] âm chứng minh tương tự x b)Ta thấy nghiệm phương trình f(x) = x nghiệm phương trình fn(x) = x, phương trình fn(x) = x có nghiệm phương trình f(x) = x có nghiệm Định lý Cho hàm f: D D hàm đồng biến, dãy (xn) thỏa mãn xn+1 = f(xn), x N * Khi đó: a) Nếu x1< x2 dãy (xn) tăng b) Nếu x1> x2 dãy (xn) giảm Chứng minh a) Ta chứng minh phương pháp quy nạp Với n = ta có x1 < x2 mệnh Giả sử mệnh đề với n = k (k 1) tức uk < uk +1 f(uk) < f(uk+1) suy uk+1 < uk+2 (đpcm) b) Chứng minh tương tự Định lý 9.Cho hàm f: D D hàm nghịch biến, dãy (xn) thỏa mãn xn+1 = f(xn), x N * Khi đó: a) Các dãy (x2n+1) (x2n) đơn điệu, dãy tăng, dãy giảm b) Nếu dãy (xn) bị chặn c) Nếu f(x) liên tục = limx2n , =limx2n+1 nghiệm phương trình f(f(x)) = x (1) Vì phương trình (1) có nghiệm = limxn = = Chứng minh a) Vì f(x) hàm nghịch biến nên f(f(x)) đồng biến Áp dụng định lý ta có điều phải chứng minh b) Suy từ a) c) Ta có f(f(x2n) = f(x2n+1) = x2n+2 limf(f(x2n) =limx2n+2= , limx2n = f(x) liên tục nên f(f( ) = Chứng minh tương tự ta có f(f( ) = Vậy , nghiệm phương trình f(f(x)) = x 1.2.SƠ LƢỢC VỀ PHƢƠNG PHÁP SAI PHÂN Định nghĩa Cho hàm số y = f(x) xác định R, Đặt xk = x0 + kh (k N*) với x0 yk :y k 1y k Hiệu số hàm số f(x) Tổng quát i sai phân cấp i hàm số f(x) y =a Suy x Mặt khác, từ g n x g (x ) = a n g (x n+1 ) = x g (x ) + + ax – a = n n n n Vì gn+1 hàm tăng = gn+1(xn+1) > gn+1(xn) nên xn < xn+1 Vậy dãy (xn) (n = 1, 2, …) tăng bị chặn, nên tồn l i m x n n Nhận xét Ta chứng minh l i m x 1 cách chứng minh bất n đẳng thức 1 a a Thật vậy, ta có a a 10 xn n Suy a10 a n Từ x n Cách khác chứng minh l i m Đặt c fn(c) – fn(xn) = kcn (với k = (a – 1)((a – 1)9 – 1) > 0) Theo định lý Lagrang fn(c) – fn(xn) = f’( )(c – xn) với +n Nhưng f’( ) = (n + 10)a10 n+9 Từ c – kcn < xn < c suy l i m x n n Bài (HSG QG 2002) Xét phương trình x 1)Chứng minh với số ngun dương n, phương trình có nghiệm lớn 1, kí hiệu nghiệm xn 2)Chứng minh dãy số (xn) có giới hạn n Lời giải 4x Kí hiệu fn(x) = 1).Dễ thấy, với n N*, hàm số fn(x) liên tục nghịch biến khoảng 1; suy với 2).Với phương trình fn(x) có nghiệm xn > n N * n N *, ta có 21 fn (xn ) Từ đó, hàm fn(x) nghịch biến 1; Mặt khác, với n Lagrange, với n fn (4) fn (xn ) x n Suy 2(2n 1)(4 Từ (1) (2) ta Từ đó, theo định lý giới hạn kẹp ta có điều phải chứng minh Bài Cho dãy số (un) (n = 0, 1, 2, …) xác định sau: u0 = a un+1 = sin2(un+11) –2007 với số tự nhiên n, a số thực cho trước Chứng minh a).Phương trình sin2(x + 11) – x = 2007 có nghiệm Kí hiệu nghiệm b b).limun = b Lời giải a)Từ giả thiết ta thấy un - 2007 n N* Xét hàm số f(x) : = sin2(x + 11) – 2007, x R Ta thấy f’(x) = 2sin(x +11)cos(x + 11) = sin2(x + 11) un+1= f(un) hàm số g(x) : = f(x) – x có g’(x) = sin2(x + 11) - g(- 2007) = sin2(- 2006) > l i m g ( x ) x Vậy hàm số g(x) nghịch biến có nghiệm [- 2007; nghiệm b, phương trình sin2(x + 11) – x b b)Kí hiệu Ta thấy -2007 Theo định lý Lagrange, ứng với n cho un b Từ theo phương pháp quy nạp ta Suy l i m Bài Chứng minh với số nguyên dương n cho trước phương trình x 2n+1 = x + có nghiệm thực Gọi nghiệm xn Tính lim x n n Lời giải: Nếu x < -1 x2n+1 < x < x+1 Nếu – < suy x2n+1 < x + Nếu < x x2n+1 x x2n+1 – x = (-x)(1-x2n) x < x + Vậy x nghiệm phương trình x2n+1 = x + ta phải có x > Đặt f n(x) = x2n+1 – x – Ta có fn’(x) = (2n+1)x2n – > [1, + ) suy hàm f tăng nửa khoảng Vì f(1) = - < f(2) = 2n+1 – > nên phương trình có nghiệm x n thuộc (1, 2) Theo lý luận trên, nghiệm suy Xét fn+1 = x2n+3 – x – Ta có f n+1(1) = - < fn+1(xn) = xn2n+3 – xn – = xn2n+3 – xn2n+1 > Từ ta suy < xn+1 < xn Dãy {xn} giảm bị chặn 1, suy dãy {xn} có giới hạn hữu hạn a, a Ta chứng minh a = Thật vậy, giả sử a > Khi xn a với n ta tìm n đủ lớn cho: xn2n+1 a2n+1 > Trong ta có xn + < x1 + < Mâu thuẫn fn(xn) = Bài Cho phương trình x + 2x2 + … + nxn = với n nguyên dương a) Chứng minh với n nguyên dương, khoảng (0; + ), phương trình có nghiệm nhất, kí hiệu xn b) Chứng minh dãy (xn) có giới hạn hữu hạn n + Tìm giới hạn Lời giải Xét hàm số fn(x) = x + 2x2 +…+nxn - liên tục R có a) f n' (x) = + 22x + …+ n2xn – f (x) > 0x0 ; n' tăng 0; Mà fn(0) = - < 0, fn(1) > nên phương trình fn(x) = có khoảng 0; b) Ta có n 3fn f n Trừ vế theo vế ta được: 2fn Do đó: xn > Áp dụng định lý Lagrange, tồn y 2n 4.3n Mặt khác l i m n 3n x n Qua tốn trên, thấy cơng cụ để khảo sát dãy số cho dãy phương trình định lý giải tích (về hàm liên tục, hàm đơn điệu, định lý hội tụ dãy số đơn điệu bị chặn, định lý Lagrange) mối liên hệ mang tính truy hồi phương trình BÀI TẬP trình x 2n+1 Bài Chứng minh với số nguyên dương n = x + có nghiệm thực Gọi nghiệm xn Tính lim Bài Cho dãy số (xn) xác định sau: x n N* n Tính xi lim n i Bài (Đề dự bị VMO 2008) Cho số thực a dãy số thực {xn} xác định bởi: x1 = a xn+1 = ln(3+cosxn + sinxn) – 2008 với n = 1, 2, 3, … Chứng minh dãy số {xn} có giới hạn hữu hạn n tiến đến dương vô Bài Cho dãy x n 4 x x x x n n n n Bài 5.Cho phương trình với n tham số nguyên dương x a) Chứng minh phương trình thên có nghiệm lớn với n nguyên dương ký hiệu x n b) Chứng minh dãy xn có giới hạn hữu hạn n Bài Cho dãy số (un) xác định sau : u1 un Tìm l i m 1 u1.u2 un n 1, 2,3 n i u i Bài 7.Cho dãy số (un) thỏa mãn u1 Tìm l i m Tính giới hạn Bài Cho dãy số (xn) xác định : x1 x n Với số nguyên dương n đặt y n Bài Cho dãy số (un) xác định : u1 u n Tìm l i m Bài 10 Cho dãy số (un) xác định : u0 un a)Chứng minh (un) có giới hạn hữu hạn Tìm limun b)Đặt T n KẾT LUẬN 1.Kết đạt đƣợc Dãy số lĩnh vực rộng khó, toán dãy số đa dạng Trong đề tài đề cập giới hạn dãy số Đề tài trình bày số dạng tốn giới hạn dãy số giới hạn tổng, dãy hội tụ dãy số, dãy số xác định phương trình Các tốn dạng có phương pháp giải cụ thể vận dụng kiến thức dãy số, định lý giới hạn Đề tài chọn lọc toán điển hình cho dạng tốn, đặc biệt có nhiều toán đề thi học sinh giỏi quốc gia, quốc tế năm gần qua thấy vai trị quan trọng toán dãy số đề thi 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 hiểu rõ chất nhiều tốn khó dãy số, học sinh có hứng thú chủ động học tập Kết đạt rõ ràng tham gia dạy đội tuyển học sinh giỏi có nhiều học sinh đạt giải cấp tỉnh Từ năm học 2009 -2010 đến năm học có học sinh đạt giải, đặc biệt em thường giải tốt toán dãy số đề thi năm trước học sinh thường khơng giải tốn Khi thực đề tài tơi nhận thấy lực tư kĩ thực thao tác tư tăng lên rõ rệt từ học sinh có tư học tập tốt phần khác môn khác, học sinh có tư phân tích, tơng hợp tốt hơn, nâng cao lực tự học cho học sinh Bài học kinh nghiệm Qua qua trình trình thực đề tài nhận thấy để nâng cao chất lượng dạy học, đặc biệt việc bồi dưỡng học sinh giỏi cần phát huy tính tích cực chủ động cho học sinh, học sinh phải có hứng thú học tập phải có lực tự học Chính lẽ mà giáo viên cần có say mê chun mơn, ln có hướng dẫn học sinh khơng kiến thức mà cịn kĩ tư duy, hướng dẫn học sinh cách tự học, biết tổng hợp kiến thức Các giáo viên tổ chuyên môn cần kết hợp nghiên cứu chuyên đề phân công bồi dưỡng học sinh giỏi để giảng chuyên sâu Việc bồi dưỡng đội tuyển học sinh giỏi cần quan tâm đạo chung nhà trường, nhà trường cần có kế hoạch từ đầu năm học giao cho giáo viên chịu trách nhiệm bồi dưỡng học sinh, đội tuyển học sinh giỏi cần bồi dưỡng em học lớp 10 đến lớp 12 tập trung rèn luyện cho em Các giáo viên dạy đội tuyển cần biết kết hợp kiến thức thi học sinh giỏi thi đại học để tạo hứng thú học tập cho học sinh Hƣớng tiếp tục nghiên cứu mở rộng đề tài Các toán dãy số thường khó nhiều dạng khác nhau, đề tài đề cập đến tốn tìm giới hạn dãy số Để nâng cao chất lượng học tập cho học sinh để dạng toán đầy đủ nghiên cứu tiếp toán dãy số thường gặp đề thi học sinh giỏi tìm số hạng tổng quát dãy số, nghiên cứu tính chất số học dãy số 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 [3] Nguyễn Vũ Lương (chủ biên), Nguyễn Lưu Sơn, Nguyễn Ngọc Thắng, Phạm Văn Hùng Các giảng số học NXB Đại học Quốc gia Hà nội 2006 [4] Nguyễn Văn Mậu Kỷ yếu trại hè Hùng Vương năm 2010 [5] Nguyễn Văn Mậu (chủ biên), Nguyễn Văn Tiến.Một số chuyên đề giải tích bồi dưỡng học sinh giỏi trung học phổ thông NXB Giáo dục Việt Nam 2009 [6] Nguyễn Sinh Tiến, Nguyễn Văn Nho, Lê Hồnh Phị Tuyển tập dự tuyển Olympic Toán học quốc tế 1991 – 2001 NXB Giáo dục 2003 [7] Nguyễn Đễ, Nguyễn Khánh Ngun (dịch) Các đề thi vơ địch Tốn 19 nước – có Việt Nam NXB Giáo dục 1996 [8] Lê Đình Thịnh (chủ biên), Đặng Đình Châu, Lê Đình Định, Phan Văn Hạp Phương trình sai phân số ứng dụng NXB Giáo dục 2001 [9] Các tốn chọn lọc 45 năm tạp chí tốn học tuổi trẻ [10] Tuyển tập THTT tập (sách mạng) [11] Tủ sách toán học tuổi trẻ Các thi Olympic tốn Trung học phổ thơng Việt Nam (1990 – 2006) NXB Giáo dục 2007 MỤC LỤC MỞ ĐẦU Chƣơng MỘT SỐ KIẾN THỨC CHUẨN BỊ 1.1 Dãy số 1.2 Sơ lược phương pháp sai phân Chƣơng GIỚI HẠN CỦA DÃY SỐ 2.1 Giới hạn tổng 2.2 Dãy hội tụ dãy số 2.3 Dãy số xác định phương trình KẾT LUẬN TÀI LIỆU THAM KHẢO ... số hạng đầu, un số hạng thứ n số hạng tổng quát dãy số Mỗi hàm số u xác định tập M = {1,2,3,…, m} với m N* gọi dãy số hữu hạn Dạng khai triển u1, u2, u3,…,um u1 số hạng đầu, um số hạng cuối Dãy. .. n Dãy số (un) gọi dãy dừng tồn số N0 cho un = C với n N0, (C số, gọi số dừng) 1.1.2 Cách cho dãy số - Dãy số cho cơng thức số hạng tổng qt Ví dụ: un - Dãy số cho phương pháp truy hồi Ví dụ: Dãy. .. sau: u1 un gọi dãy Fibonacci Bằng phương pháp sai phân tìm cơng thức tổng qt dãy là: un 1.1.4 Giới hạn dãy số Định nghĩa Ta nói dãy số (un) có giới hạn số thực a hữu hạn với số dương (có thể