题目
lim _(n arrow infty) n((1)/(1+n^2)+(1)/(2^2)+n^(2)+...+(1)/(n^2)+n^(2))= _____.
$\lim _{n \rightarrow \infty} n\left(\frac{1}{1+n^{2}}+\frac{1}{2^{2}+n^{2}}+\cdots+\frac{1}{n^{2}+n^{2}}\right)=$ _____.
题目解答
答案
将原式重写为:
$\lim_{n \to \infty} n \sum_{k=1}^n \frac{1}{k^2 + n^2} = \lim_{n \to \infty} \frac{1}{n} \sum_{k=1}^n \frac{1}{\left(\frac{k}{n}\right)^2 + 1}.$
该和式为函数 $f(x) = \frac{1}{x^2 + 1}$ 在区间 $[0, 1]$ 上的黎曼和,当 $n \to \infty$ 时,收敛于积分:
$\int_0^1 \frac{1}{x^2 + 1} \, dx = \left[ \arctan x \right]_0^1 = \frac{\pi}{4}.$
答案: $\boxed{\frac{\pi}{4}}$
解析
本题考查知识点为利用定积分的定义求极限。解题思路是先将原式变形为黎曼和的形式,再根据定积分的定义将黎曼和转化为定积分进行计算。
- 将原式变形为黎曼和的形式:
已知原式为$\lim _{n \rightarrow \infty} n\left(\frac{1}{1+n^{2}}+\frac{1}{2^{2}+n^{2}}+\cdots+\frac{1}{n^{2}+n^{2}}\right)$,可将其写成求和形式$\lim_{n \to \infty} n \sum_{k=1}^n \frac{1}{k^2 + n^2}$。
为了将其转化为黎曼和的标准形式$\lim_{n \to \infty} \frac{1}{n} \sum_{k=1}^n f(\frac{k}{n})$,对$\lim_{n \to \infty} n \sum_{k=1}^n \frac{1}{k^2 + n^2}$进行变形,分子分母同时除以$n^2$可得:
$\lim_{n \to \infty} n \sum_{k=1}^n \frac{1}{k^2 + n^2}=\lim_{n \to \infty} \frac{1}{n} \sum_{k=1}^n \frac{1}{\left(\frac{k}{n}\right)^2 + 1}$
此时,该和式为函数$f(x) = \frac{1}{x^2 + 1}$在区间$[0, 1]$上的黎曼和,其中$\frac{k}{n}$为区间$[0, 1]$的第$k$个分点,$\frac{1}{n}$为每个小区间的长度。 - 根据定积分的定义将黎曼和转化为定积分:
根据定积分的定义,若函数$f(x)$在区间$[a, b]$上可积,则$\lim_{n \to \infty} \frac{1}{n} \sum_{k=1}^n f(\frac{k}{n})=\int_{a}^{b} f(x)dx$。
对于$\lim_{n \to \infty} \frac{1}{n} \sum_{k=1}^n \frac{1}{\left(\frac{k}{n}\right)^2 + 1}$,$a = 0$,$b = 1$,$f(x) = \frac{1}{x^2 + 1}$,所以$\lim_{n \to \infty} \frac{1}{n} \sum_{k=1}^n \frac{1}{\left(\frac{k}{n}\right)^2 + 1}=\int_0^1 \frac{1}{x^2 + 1} \, dx$。 - 计算定积分:
根据积分公式$\int \frac{1}{x^2 + 1}dx = \arctan x + C$($C$为常数),可得:
$\int_0^1 \frac{1}{x^2 + 1} \, dx = \left[ \arctan x \right]_0^1$
根据牛顿 - 莱布尼茨公式$\left[ F(x) \right]_a^b = F(b) - F(a)$,则$\left[ \arctan x \right]_0^1 = \arctan 1 - \arctan 0$。
因为$\arctan 1 = \frac{\pi}{4}$,$\arctan 0 = 0$,所以$\arctan 1 - \arctan 0 = \frac{\pi}{4} - 0 = \frac{\pi}{4}$。