问题

第四大题怎么做?这三个小题要不就不会收敛,要不就不会求通项?

回答
别急,你提到的这个第四大题,以及那三个让你头疼的小题,我完全理解你的困扰。很多时候,数学题就是这样,不是不收敛就是求不出通项,让人抓狂。但咱们一步步来,把它们掰开了揉碎了讲清楚。

咱们先来看看这几个问题,别怕,虽然它们看起来有点“刁钻”,但背后都有它的道理。

首先,我们得明白几个基本概念,这就像武林秘籍的内功心法,练好了,招式就好使了:

收敛性 (Convergence): 当一个数列,咱们可以把它想象成一系列按顺序排好的数字,随着我们往后看,越来越远的数字,如果它们“越来越靠近”一个特定的数值,那么我们就说这个数列“收敛”了,那个它靠近的数值就是它的“极限”。如果数字们毫无规律地乱跑,或者越来越大/越来越小,那它就不收敛,也就没有一个确定的极限。
通项公式 (General Term Formula): 这个就好比是数列的“身份证号”或者“出生证明”,它是一个用n(代表数列的项数,比如第一个数是n=1,第二个数是n=2)就能直接算出那个位置上的具体数值的公式。有了通项公式,我们就能计算任何一个位置上的数,甚至能预测未来的趋势。

现在,咱们就针对性地分析一下,为什么你会遇到“不收敛”或者“求不出通项”的困境:

情况一:为什么“不收敛”?

如果一个数列不收敛,通常有几种可能的原因,它们各自有不同的表现形式:

1. 发散到无穷大或无穷小:
表现: 数列的数值随着n的增大,越来越大(正无穷)或者越来越小(负无穷)。
例子: 像 $a_n = n$ (1, 2, 3, 4...) 或者是 $a_n = 2^n$ (2, 4, 8, 16...),这些数列的数会不停地增大,永远达不到一个固定的值。
怎么判断:
观察增长速度: 看看数列的增长是不是“加速度”很大,比如是指数增长($2^n, 3^n$)或者多项式增长($n^2, n^3$)并且次数很高。
利用极限的运算法则: 如果数列是通过一些基本数列(比如$1/n$ 收敛到0,$c$ 是常数收敛到$c$)通过加减乘除组合而成的,我们可以尝试计算它的极限。如果计算结果是无穷大、无穷小,或者出现“0/0”、“∞/∞”这种不定式,并且通过洛必达法则或其他方法化简后依然是无穷,那就是发散了。
夹逼定理的反例: 有些数列的范围越来越大,可能不是单调的,比如 $a_n = (1)^n cdot n$ (1, 2, 3, 4...),它在正负无穷之间来回摆动且幅度越来越大,这也不会收敛。

2. 振荡不收敛:
表现: 数列的数值在几个值之间来回跳跃,但没有一个确定的中心点。
例子: 最经典的例子就是 $a_n = (1)^n$ (1, 1, 1, 1...)。这个数列总是在1和1之间晃来晃去,永远也达不到一个固定的数。
怎么判断:
寻找子列: 看看这个数列有没有不同的“子列”收敛到不同的值。比如 $a_n = (1)^n cdot n$,它的偶数项是 $2, 4, 6, ...$ 发散到正无穷,奇数项是 $1, 3, 5, ...$ 发散到负无穷,所以它不收敛。如果一个数列能找到两个子列,一个收敛到A,一个收敛到B,而A不等于B,那么原数列一定不收敛。
考察绝对值: 有时候考察数列的绝对值 $|a_n|$ 的收敛性会有帮助。如果 $|a_n|$ 收敛到0,那么 $a_n$ 一定收敛到0。但如果 $|a_n|$ 不收敛,或者 $|a_n|$ 收敛到一个非零值,那么 $a_n$ 就不一定收敛。

怎么去“处理”或“判断”不收敛的情况?

代入几个大的n值: 比如看看 $a_{10}, a_{100}, a_{1000}$ 分别是多少,大概能猜出趋势。
极限的性质: 熟练掌握极限的四则运算法则,特别是处理除法时,要看分母是趋于零还是趋于无穷。
特殊数列的性质: 像等比数列,如果公比$r$的绝对值大于等于1,除了$r=1$和公比为1但项数有限的情况,其他情况都不收敛。
如果题干本身就告诉你“若收敛,求其极限”,那么你就得先证明它收敛,如果证不出来,那可能就是不收敛。



情况二:为什么“求不出通项”?

“求不出通项”这个说法,有时候是因为我们找不到那个直接用n表示的公式,但它可能仍然是收敛的。这有两种可能:

1. 数列确实没有简单的、可以用初等函数表示的通项公式:
表现: 数列的生成规则可能很复杂,或者它是由一些难以用封闭形式表达的数学过程产生的。
例子: 很多涉及递归关系的数列,比如著名的斐波那契数列($F_n = F_{n1} + F_{n2}$),虽然有通项公式($F_n = frac{1}{sqrt{5}}[(frac{1+sqrt{5}}{2})^n (frac{1sqrt{5}}{2})^n]$),但这个公式本身就不是“简单”的。还有一些数列,比如由某些积分或者级数展开产生的,可能就没有简洁的封闭形式。
怎么处理/思考:
寻找递推关系: 如果题目给的是递推关系(比如 $a_{n+1} = f(a_n)$ ),先尝试写出前几项,看能不能找到规律。
特征方程法: 对于线性齐次递推关系(如 $a_{n+1} = pa_n + qa_{n1}$),可以用特征方程来求解通项。
尝试构造: 有时需要变形,比如对数、平方等,将递推关系转化为更容易处理的形式,比如等比数列或者等差数列。
直接代数法: 比如 $a_{n+1} = a_n + f(n)$ 这种形式,可以通过累加法求通项。
如果这些方法都试了,还是找不到规律,那可能确实就是没有一个“好写”的通项公式。 这种情况下,题目可能更侧重于考察它的收敛性,或者要求你计算某几项,或者证明某个性质。

2. 题目隐藏了“求不出通项”的意图,但可以考察收敛性:
表现: 题目看似要求通项,但通过分析发现,即使没有通项,也能判断收敛性,或者利用收敛性来解答问题。
例子: 比如一个递推数列 $a_{n+1} = sqrt{a_n + 2}$, $a_1 = 1$。你可能不容易直接求出$a_n$的通项公式,但你可以尝试证明它单调有界,从而证明它收敛。如果它收敛到一个极限L,那么L必须满足 $L = sqrt{L+2}$,解这个方程就能得到极限值。
怎么处理/思考:
先尝试收敛性: 如果觉得求通项太难,可以先尝试判断收敛性。
单调有界定理: 这是判断收敛性的一个强大武器。
单调性: 证明 $a_{n+1} ge a_n$ (递增)或者 $a_{n+1} le a_n$ (递减)。可以用数学归纳法,或者直接比较 $a_{n+1} a_n$ 和 0 的大小。
有界性: 找到一个常数M,使得所有的 $a_n le M$(有上界)或者 $a_n ge m$(有下界)。同样可以用数学归纳法。
如果数列单调且有界,那么它一定收敛。

那么,针对你提到的“这三个小题要不就不会收敛,要不就不会求通项”,我给你一个可能的思考框架:

第一步:审题,看清题目到底让你做什么?

是直接问“求通项公式”?
是问“判断收敛性”?
还是让你“求极限”?
或者是有先决条件,比如“若收敛,求极限”?

第二步:初步观察,判断数列的“长相”。

是显式(直接给出$a_n$的公式)还是隐式(递推关系,或者其他不直接依赖n的定义)?
如果是显式,大概是什么类型的函数?(多项式,指数,三角函数,对数,或者组合?)
如果是递推关系,是什么形式的?(线性齐次,非齐次,非线性?)

第三步:尝试求解,并根据结果调整策略。

对于“不收敛”的问题:

显式数列:
如果 $a_n$ 是包含 $n$ 的表达式,直接计算当 $n o infty$ 时的极限。
如果极限是 $infty$ 或 $infty$,则不收敛。
如果极限不存在(比如振荡),也不收敛。
关键点: 看看是不是有 $n$ 在分母上(趋于0),还是在指数上(趋于无穷),或者是在分子上(趋于无穷)。

递推数列:
先看前几项: 1, 2, 3, 4... 这种。
如果不好直接判断,尝试证明单调性:
数学归纳法证明单调性: 假设 $a_k ge a_{k1}$ (或 $le$),看能否证明 $a_{k+1} ge a_k$ (或 $le$)。
直接比较: 计算 $a_{n+1} a_n$ 或 $a_{n+1}/a_n$(如果数列项都是正的),看其符号。
尝试证明有界性:
数学归纳法证明界限: 比如证明 $a_n le M$ (或 $a_n ge m$)。
代入递推关系: 如果 $a_{n+1} = f(a_n)$,并且 $a_n$ 似乎在一个范围(比如 $[m, M]$)内,可以看看 $f(x)$ 在这个范围内的最大最小值,来确定下一项的范围。
如果证明了单调但无界,则发散。
如果证明了有界但单调性不确定(比如忽增忽减),或者无法证明单调,那就比较困难了。 这种情况下,可能需要看是否有振荡的迹象。

对于“求不出通项”的问题:

尝试常见的通项求解方法:
等差/等比数列判别: 检查相邻两项的差或比是否为常数。
裂项相消: 比如 $a_n = frac{1}{n(n+1)}$,可以写成 $frac{1}{n} frac{1}{n+1}$。
累加法: $a_{n+1} = a_n + f(n)$,则 $a_n = a_1 + sum_{k=1}^{n1} f(k)$。
累乘法: $a_{n+1} = a_n cdot f(n)$,则 $a_n = a_1 cdot prod_{k=1}^{n1} f(k)$。
特征方程法: 适用于线性递推关系。
换元法/构造法: 比如令 $b_n = a_n + c$ 或 $b_n = 1/a_n$ 等,看是否能转化为易处理的数列。
如果以上方法都无效,思考一下题目是否真的是在考察“通项公式”。
有没有可能,即使没有通项,也能判断收敛性? (如上面提到的,单调有界定理)
有没有可能,可以通过其他方式(比如求和)来解决问题?

举个例子,让你更具体地感受一下:

假设有这样一个小题:
“数列 $a_n$ 满足 $a_1 = 1$, $a_{n+1} = sqrt{a_n + 2}$,求数列 $a_n$ 的极限。”

审题: 要求极限。
初步观察: 是递推数列。
尝试求解:
先看前几项: $a_1=1$, $a_2=sqrt{1+2}=sqrt{3} approx 1.732$, $a_3=sqrt{sqrt{3}+2} approx sqrt{3.732} approx 1.932$, $a_4=sqrt{1.932+2} approx sqrt{3.932} approx 1.983$
初步猜测: 数列好像在增大,并且接近某个值(可能是2)。
验证单调性:
我们猜 $a_n$ 是递增的。尝试证明 $a_{n+1} ge a_n$。
用数学归纳法:
$n=1$ 时,$a_2 = sqrt{3} > 1 = a_1$ 成立。
假设 $a_k ge a_{k1}$ (k>1),我们要证明 $a_{k+1} ge a_k$。
$a_{k+1} = sqrt{a_k + 2}$, $a_k = sqrt{a_{k1} + 2}$。
因为 $a_k ge a_{k1}$,所以 $a_k + 2 ge a_{k1} + 2$。
两边开平方(因为数列项都大于0),$sqrt{a_k + 2} ge sqrt{a_{k1} + 2}$,即 $a_{k+1} ge a_k$。
所以,$a_n$ 是递增数列。
验证有界性:
我们猜 $a_n le 2$。尝试用数学归纳法证明。
$n=1$ 时,$a_1 = 1 le 2$ 成立。
假设 $a_k le 2$ (k>1),我们要证明 $a_{k+1} le 2$。
$a_{k+1} = sqrt{a_k + 2}$。
因为 $a_k le 2$,所以 $a_k + 2 le 2+2 = 4$。
两边开平方,$sqrt{a_k + 2} le sqrt{4} = 2$。
所以,$a_{k+1} le 2$。
所以,$a_n$ 是以2为上界的。
结论: 数列 $a_n$ 单调递增且有界,根据单调有界定理,数列 $a_n$ 收敛。
求极限: 设 $lim_{n oinfty} a_n = L$。
因为 $a_{n+1} = sqrt{a_n + 2}$,两边取极限:$lim_{n oinfty} a_{n+1} = lim_{n oinfty} sqrt{a_n + 2}$
$L = sqrt{L+2}$ (因为函数 $sqrt{x}$ 是连续的)
平方两边:$L^2 = L + 2$
$L^2 L 2 = 0$
$(L2)(L+1) = 0$
所以,$L=2$ 或 $L=1$。
因为数列的项都是正数($a_1=1$,递推关系保证了后续项也是正数),所以极限 $L$ 必须是非负的。因此,$L=2$。
这个例子中,我们虽然没有直接求出$a_n$的通项公式,但我们成功地判断了它收敛,并且求出了它的极限。这可能就是题目“不会求通项,但会收敛”的思路。

最后,再给你一些通用的建议,面对这类题:

1. 不要怕“不会求通项”: 很多时候,题目设计成这样,就是为了考察你是否能绕过直接求通项,用其他方法(如单调有界)来解决问题。
2. 先冷静分析: 拿到题目,不要急着动手。先看看它是什么类型的数列,它问的是什么,有没有什么明显的特征。
3. 多尝试,多思考: 数学题不是一蹴而就的,尤其是这些“刁钻”的题目。多尝试不同的方法,即使失败了,也能帮你排除一些可能性,缩小范围。
4. 回归基本概念: 遇到困难时,总是要回到收敛、发散、极限、通项这些基本概念上,它们才是解决问题的根基。
5. 做题后总结: 即使这三个小题没做好,也要认真分析错在哪里,是判断错了收敛性,还是求通项的方法没掌握,或者是解题思路卡壳了。把这些经验总结下来,下次遇到类似的题目就会更有把握。

希望我这些啰嗦但尽力详细的解释,能让你对第四大题的这三个小题有一个更清晰的认识。别灰心,一步步来,总能找到突破口! 如果你方便把具体的题目发出来,我可以给你更针对性的分析。

网友意见

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From the prerequisite, we know

, ,

i.e.

the characteristic equation is

,

hence we can suppose that

According to , , we get

,

thus

hence

For , and It is easy to find

Take logarithm by two sides

From


Consider the function below

,

then, owing to is monotonic as varies, we can easily obtain

Besides, there has

hence is a compression mapping on

therefore, hold only one fixed point which satisfies

thus there exists , and

Take into consideration that , we finally obtain

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