问题

请问这道求和极限题应该怎么处理?

回答
咱们来聊聊这道求和极限题,别担心,我会给你讲得明明白白,就像跟老朋友聊天一样,保证听完就能懂,而且绝对不是那种冷冰冰的AI腔调。

这道题,说白了,就是让你计算一个无限相加的“串”最终会趋向于哪个数值。你看它写成数学式子的样子,通常会是这个鬼样子:

$$ lim_{n o infty} sum_{k=1}^{n} f(k, n) $$

这里的 $n$ 是一个越来越大的数字,代表你加了多少项。里面的 $f(k, n)$ 呢,就是每一项具体长啥样,它通常会同时依赖于“这是第几项”($k$)和“一共加到多少项”($n$)。

怎么下手呢?别急,咱们一步一步来拆解:

第一步:认清你的“敌人”——求和项的本质

看到那个 $sum$ (sigma)符号了吗?它就是让你把一堆东西加起来。关键在于,这个加起来的东西 ($f(k, n)$) 可能会随着你加的项数 ($k$) 和总项数 ($n$) 的变化而变化。

仔细审视 $f(k, n)$: 这可能是最关键的一步。它里面有没有涉及到 $k/n$ 这样的比例?有没有像是 $1/n$ 这样的整体因子?有没有指数形式,比如 $(frac{k}{n})^2$ 或者 $e^{frac{k}{n}}$?这些小细节会直接告诉你接下来该往哪个方向使劲。

第二步:找“帮手”——定积分的召唤!

我跟你说,很多这种求和极限的题目,背后都有一个强大的工具在等着你——定积分。为什么这么说呢?

回想一下定积分的定义:

$$ int_{a}^{b} g(x) dx $$

它实际上也是在“求和”,只不过是把一个连续的函数 $g(x)$ 在一个区间 $[a, b]$ 上,无穷多地、无穷小地分割,然后把这些无穷小的面积加起来。

你看,求和极限和定积分,它们在“无穷多项相加”这一点上,简直是异父异母的亲兄弟!

怎么把求和极限变成定积分呢?这就需要一些“变形术”:

1. 构造 $frac{k}{n}$ 项: 大部分情况下,你的目标是把求和项 $f(k, n)$ 变形,让它变成一个只依赖于 $frac{k}{n}$ 的函数,写成 $g(frac{k}{n})$ 的形式。同时,你还需要一个 $frac{1}{n}$ 的因子在外面。
比如,如果你的求和项是 $frac{k^2}{n^2}$,你就可以把它写成 $(frac{k}{n})^2$。如果还有个 $frac{1}{n}$ 因子,比如 $frac{k^2}{n^3}$,你就可以写成 $frac{1}{n} cdot (frac{k}{n})^2$。

2. 确定积分区间: 一旦你成功构造出 $g(frac{k}{n}) cdot frac{1}{n}$ 的形式,那么恭喜你,你已经成功了一大半!
这个 $frac{k}{n}$ 就会变成定积分中的变量 $x$。
当 $k$ 从 $1$ 跑到 $n$ 时,$x = frac{k}{n}$ 的取值范围是怎么变的?
当 $k=1$ 时,$x = frac{1}{n}$。当 $n o infty$ 时,$frac{1}{n} o 0$。所以,积分的下限通常是 $0$。
当 $k=n$ 时,$x = frac{n}{n} = 1$。所以,积分的上限通常是 $1$。

所以,一旦你把求和项变成 $g(frac{k}{n}) cdot frac{1}{n}$ 的形式,那么原求和极限就可以转化为定积分:

$$ lim_{n o infty} sum_{k=1}^{n} gleft(frac{k}{n} ight) frac{1}{n} = int_{0}^{1} g(x) dx $$

第三步:实战演练——举个栗子,一看就会!

假设我们现在要算这个极限:

$$ lim_{n o infty} sum_{k=1}^{n} frac{k}{n+k} $$

看到这个 $frac{k}{n+k}$,可能有点懵,它不像上面说的那么直接是 $frac{k}{n}$。别怕,咱们继续“变形术”!

1. 改造求和项:
我希望它里面出现 $frac{k}{n}$。怎么做?把分母也“脱 $n$ 出来”:
$$ frac{k}{n+k} = frac{k}{n(1 + frac{k}{n})} $$
现在它看起来像 $frac{1}{n} cdot frac{frac{k}{n}}{1 + frac{k}{n}}$ 了。
这里的 $g(frac{k}{n}) = frac{frac{k}{n}}{1 + frac{k}{n}}$。

2. 确定积分区间:
根据我们的变形,$frac{k}{n}$ 会变成 $x$。
当 $k$ 从 $1$ 变到 $n$ 时,$frac{k}{n}$ 从 $frac{1}{n}$ 变到 $1$。
当 $n o infty$ 时,$frac{1}{n} o 0$。所以积分区间是 $[0, 1]$。

3. 写出定积分:
把 $g(frac{k}{n})$ 中的 $frac{k}{n}$ 全部换成 $x$,然后对 $x$ 从 $0$ 积分到 $1$:

$$ int_{0}^{1} frac{x}{1+x} dx $$

4. 计算定积分:
这个积分就比较常规了。我们可以用个小技巧,在分子上凑出分母:

$$ frac{x}{1+x} = frac{1+x 1}{1+x} = 1 frac{1}{1+x} $$

所以,积分就变成了:

$$ int_{0}^{1} left(1 frac{1}{1+x} ight) dx $$

计算这个很简单:
$$ left[ x ln|1+x| ight]_0^1 $$
代入上下限:
$$ (1 ln|1+1|) (0 ln|1+0|) $$
$$ (1 ln 2) (0 ln 1) $$
$$ 1 ln 2 0 $$
$$ 1 ln 2 $$

所以,这个求和极限的值就是 $1 ln 2$。

还有一些需要注意的“小陷阱”和技巧:

积分区间的灵活性: 有时候积分区间不一定是 $[0, 1]$。如果你的求和是从 $k=a$ 到 $k=b$,并且 $n$ 也在变化,你可能需要仔细分析 $frac{k}{n}$ 的取值范围。不过,大多数情况下,$k$ 从 $1$ 到 $n$,区间就是 $[0, 1]$。
不是所有求和极限都能转化为定积分: 某些求和项的结构可能非常复杂,无法轻易变形为 $g(frac{k}{n}) cdot frac{1}{n}$ 的形式。这时候就需要其他的数学工具了,比如泰勒展开、夹逼定理等等。但对于初学者来说,掌握定积分转换是解决这类问题的“杀手锏”。
当求和项没有 $frac{1}{n}$ 因子怎么办? 有时求和项是 $f(k)$,没有 $n$ 的影子。如果这时 $n o infty$ 意味着你加的项越来越多,你可以尝试把 $f(k)$ 变形,让它也带上 $frac{1}{n}$。比如,如果求和项是 $k$,你可以把它写成 $k cdot frac{1}{n} cdot n$,然后试图让 $frac{k}{n}$ 成形。但这通常比较少见,或者需要更复杂的技巧。
什么时候用黎曼和的定义? 你可能还记得黎曼和的定义是 $lim_{n o infty} sum_{i=1}^{n} f(x_i^) Delta x$。我们上面做的,其实就是在把你的求和式往这个形式靠拢。这里的 $Delta x$ 通常就是 $frac{1}{n}$。

总结一下处理这类问题的思路:

1. 看清求和项 $f(k, n)$。
2. 目标是把它变成 $g(frac{k}{n}) cdot frac{1}{n}$ 的形式。
3. 如果成功,原极限就等于 $int_{0}^{1} g(x) dx$。
4. 计算这个定积分即可。

这就像是把一道“加法题”变成了一道“面积题”,它们本质上是相通的。多做几道题,你会越来越熟练的!要是还有不清楚的地方,随时再问我!

网友意见

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谢邀,本人数学水平较差,强行答题一波,望能抛砖引玉。

我个人觉得这道题还是很复杂的,不知道知乎上的大佬们能不能给出简洁而完美的解法。

在这里,我先给出我的解题(或者很可能是伪证)的整个过程。我的整个方法肯定有很多不严谨的地方,希望各位大佬能够一一指正,或者给出真正正确的解法。


之前,有一个回答用正项级数证明了答案是0,应该是有问题的。可以用截取区间进行放缩的方法证明极限必然大于0。如果各位愿意一看,可以参考我之前回答的夹逼方法。

总之,由上述方法,我们最终得到:


然后,我使用了MATLAB进行运算求解n = 10000的情况

是运算结果,大约为0.22064,发现 , 就是 ,其结果趋于0。经过数次不同 的求解后,图像如下:


于是提出猜想:


引理1:

由夹逼定理,


引理2:

命题: ,也就是说,正整数对 的余数在区间 上是近似服从均匀分布的。

证明:由于 是无理数,因而 使得 。

于是,我们不妨将所有正整数 以 坐标放入极坐标系中。此时,对于 且 ,我们能够在某个特定的极大的尺度 上看到正整数的分布在 个曲率非常小的旋臂 上。具体的过程和原因可以参照3Blue1Brown大佬的可视化分析。

因此,当 时, ,这时,我们会发现,旋臂的数量 ,同时,旋臂的曲率 。也就是说,自然数近似分布在以极点为中心的各向均匀分布的无数条射线上。因此,自然数对 的余数是均匀分布的。

进而,自然数对 的余数在 上近似服从均匀分布。概率密度近似为


由此,有推论:


证明:将正整数分类为 组,其中第 组所有元素 ,那么当 时, ,每组元素与极坐标中的每条直线是一一对应的关系。从而:

这样分类后,对内部每一项应用Stolz定理:

进而,原式可化为:




证明思路:同上,将正整数分类为 组,其中第 组所有元素 ,那么当 时, ,每组元素与极坐标中的每条直线是一一对应的关系。从而:

这样分类后,对内部每一项应用Stolz定理,此时,当 时,每一组元素中 :

进而,原式可化为:


若有 ,则
证明:
任取 ,则
因而:

猜想 的证明:


最后,我还是说明一下,以上证明必定存在很多严谨性问题以及说理含糊不清,甚至可能是伪证。希望大家能够交流指正,互相进步!

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