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羅必達法則的離散版本:Stolz定理

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前言

許多同學在求數列極限時,習慣性地也使用羅必達法則。例如 lim⁡n→∞ln⁡(n)n\displaystyle \lim_{n\to\infty}\frac{\ln(n)}{n} ,使用羅必達法則寫成 lim⁡n→∞1n1=0\displaystyle \lim_{n\to\infty} \frac{\frac{1}{n}}{1}=0 。

這樣有點奇怪,因為數列是離散的,嚴格說起來不能對其求導。若要看起來正確一點,可以先將 n n 改為 xx ,寫成

 lim⁡x→∞ln⁡(x)x=L lim⁡x→∞1x1=0\begin{align*} &\,\lim_{x\to\infty} \frac{\ln(x)}{x}\\[4mm] \overset{L}{=}&\,\lim_{x\to\infty} \frac{\frac{1}{x}}{1}=0 \end{align*}

這樣,因為若 f(x)→Lf(x)\to L ,則 an=f(n)→La_n=f(n)\to L ,所以能推論原極限也是 00 。但這樣似乎又囉嗦了點,既然看起來差不多,不嚴謹點對數列求導好像結果也一樣。

其實,在羅必達法則之後大約兩百年,奧地利數學家 Otto Stolz 於 1885 年提出了羅必達法則的離散版本,今日稱之為 Stolz-Cesaro Theorem 。

Stoltz 定理

Stolz定理

(1) 00\frac{0}{0} 型: an→0,bn→0a_n\to0 , b_n\to0 ,且 ⟨an⟩ \langle a_n\rangle 嚴格遞減,若lim⁡n→∞bn−bn−1an−an−1=L\displaystyle \lim_{n\to\infty}\frac{b_n-b_{n-1}}{a_n-a_{n-1}}=L ( LL 可為有限數或正負無限大),則 lim⁡n→∞bnan=L\displaystyle \lim_{n\to\infty} \frac{b_n}{a_n}=L

(2) ⋆∞\frac{\star}{\infty} 型: an→∞a_n\to\infty ,且 ⟨an⟩ \langle a_n\rangle 嚴格遞增,若lim⁡n→∞bn−bn−1an−an−1=L\displaystyle \lim_{n\to\infty}\frac{b_n-b_{n-1}}{a_n-a_{n-1}}=L ( LL 可為有限數或正負無限大),則 lim⁡n→∞bnan=L\displaystyle \lim_{n\to\infty} \frac{b_n}{a_n}=L

若是使用這個定理,便可寫成

 lim⁡n→∞ln⁡(n)n=S lim⁡n→∞ln⁡(n+1)−ln⁡(n)(n+1)−n= lim⁡n→∞ln⁡(n+1n)1=0\begin{align*} &\,\lim_{n\to\infty} \frac{\ln(n)}{n}\\[4mm] \overset{S}{=}&\,\lim_{n\to\infty} \frac{\ln(n+1)-\ln(n)}{(n+1)-n}\\[4mm] =&\,\lim_{n\to\infty}\frac{\ln(\frac{n+1}{n})}{1}=0 \end{align*}

這樣既不囉嗦,也沒有對數列求導的問題。

範例

若是再看一些無法將 ana_n 視為 f(n)f(n) 的題,則更顯出 Stolz 定理的威力。

例 1

例題 1

(Cauchy命題)若收斂數列 ⟨an⟩\langle a_n\rangle 極限為 LL , 則必有 a1+a2+⋯+ann→L\dfrac{a_1+a_2+\cdots+a_n}{n}\to L 。

解

常見的證法是利用 ϵ−δ\epsilon-\delta 來證,但不太容易寫,其難度可能接近高等微積分,甚至目前市面上有些微積分補教老師也在書上用了錯誤的證法。然而若是使用 Stolz 定理:

 lim⁡n→∞a1+a2+⋯+ann=S lim⁡n→∞(a1+⋯+an)−(a1+⋯+an−1)n−(n−1)= lim⁡n→∞an1=L\begin{align*} &\,\lim_{n\to\infty} \frac{a_1+a_2+\cdots+a_n}{n}\\[4mm] \overset{S}{=}&\,\lim_{n\to\infty} \frac{\big(a_1+\cdots+a_n\big) -\big(a_1+\cdots+a_{n-1}\big)} {n-(n-1)}\\[4mm] =&\,\lim_{n\to\infty}\frac{a_n}{1}=L \end{align*}

好快的刀!

例 2

例題 2

已知 a1>0a_1>0 ,且

an+1=an+1an\begin{align*} a_{n+1}=a_n+\frac{1}{a_n} \end{align*}

試證明 lim⁡n→∞an2n=1\displaystyle\lim_{n\to\infty}\frac{a_n}{\sqrt{2n}}=1 。

解

因 a1>0a_1>0 ,顯然 ⟨an⟩\langle a_n\rangle 為嚴格遞增數列,則 ana_n 必然是趨向一正數或正無限大。
然而若是趨向一正數 LL ,由遞迴式可得 L=L+1LL=L+\frac{1}{L} ,這是矛盾的,所以 lim⁡n→∞an=∞\displaystyle\lim_{n\to\infty} a_n=\infty 。於是

 lim⁡n→∞an22n=S lim⁡n→∞an2−an−122n−(2n−2)= lim⁡n→∞(an−1+1an−1)2−an−122= lim⁡n→∞2+1an−122=1\begin{align*} &\,\lim_{n\to\infty}\frac{a_n^2}{2n}\\[4mm] \overset{S}{=}&\,\lim_{n\to\infty} \frac{a_n^2-a_{n-1}^2}{2n-(2n-2)}\\[4mm] =&\,\lim_{n\to\infty} \frac{\big(a_{n-1}+\frac{1}{a_{n-1}}\big)^2-a_{n-1}^2}{2}\\[4mm] =&\,\lim_{n\to\infty} \frac{2+\frac{1}{a_{n-1}^2}}{2}=1\\[4mm] \end{align*}

故 lim⁡n→∞an2n=1\displaystyle\lim_{n\to\infty}\frac{a_n}{\sqrt{2n}}=1 。

例 3

例題 3

設 Sn=∑k=1n3k(3k−1)S_n=\displaystyle\sum_{k=1}^n\sqrt{3k(3k-1)} ,求 lim⁡n→∞Snn2\displaystyle\lim_{n\to\infty}\frac{S_n}{n^2} 。

解

 lim⁡n→∞Snn2=S lim⁡n→∞Sn−Sn−1n2−(n−1)2= lim⁡n→∞3n(3n−1)2n−1=32\begin{align*} &\,\lim_{n\to\infty}\frac{S_n}{n^2}\\[4mm] \overset{S}{=}&\,\lim_{n\to\infty} \frac{S_n-S_{n-1}}{n^2-(n-1)^2}\\[4mm] =&\,\lim_{n\to\infty} \frac{\sqrt{3n(3n-1)}}{2n-1}=\frac32 \end{align*}

例 4

例題 4

已知 0<x0<10<x_0<1 ,且

xn+1=xn(1−xn)\begin{align*} x_{n+1}=x_n\big(1-x_n\big) \end{align*}

試證明 lim⁡n→∞nxn=1\displaystyle\lim_{n\to\infty}nx_n=1 。

解

Claim

lim⁡n→∞xn=0\displaystyle\lim_{n\to\infty}x_n=0

Proof of Claim:

Claim in Proof of Claim

xn<1n+1x_n<\frac{1}{n+1} 對 n>0n>0 恆成立。

Proof of Claim in Proof of Claim

x1=x0(1−x0)≤12(1−12)<12x_1=x_0\big(1-x_0\big)\le \frac{1}{2}\big(1-\frac{1}{2}\big)<\frac{1}{2} 成立。

xk+1= xk(1−xk)< 1k+1(1−1k+1)= k(k+1)2<1k+2\begin{align*} x_{k+1} =&\,x_k(1-x_k)\\[4mm] <&\,\frac{1}{k+1}\Big(1-\frac{1}{k+1}\Big)\\[4mm] =&\,\frac{k}{(k+1)^2}<\frac{1}{k+2} \end{align*}

成立,故由數學歸納法得證。

顯然 xn>0x_n>0 恆成立,結合 Claim in Proof of Claim 得到
0<xn<1n+10<x_n<\frac{1}{n+1},於是由夾擠定理得到
lim⁡n→∞xn=0\displaystyle\lim_{n\to\infty}x_n=0

 lim⁡n→∞nxn=lim⁡n→∞n1xn=S lim⁡n→∞n−(n−1)1xn−1xn−1= lim⁡n→∞11xn−1(1−xn−1)−1xn−1= lim⁡n→∞1(1xn−1+11−xn−1)−1xn−1= lim⁡n→∞1−xn−1=1\begin{align*} &\,\lim_{n\to\infty}nx_n =\lim_{n\to\infty}\frac{n}{\frac{1}{x_n}}\\[4mm] \overset{S}{=}&\,\lim_{n\to\infty} \frac{n-(n-1)}{\frac{1}{x_n}-\frac{1}{x_{n-1}}}\\[4mm] =&\,\lim_{n\to\infty} \frac{1}{\frac{1}{x_{n-1}\big(1-x_{n-1}\big)}-\frac{1}{x_{n-1}}}\\[4mm] =&\,\lim_{n\to\infty} \frac{1}{\big(\frac{1}{x_{n-1}}+\frac{1}{1-x_{n-1}}\big) -\frac{1}{x_{n-1}}}\\[4mm] =&\,\lim_{n\to\infty} 1-x_{n-1}=1 \end{align*}

練習

練 1

練習題 1

lim⁡n→∞n2an    (  a>1  )\displaystyle\lim_{n\to\infty} \frac{n^2}{a^n}\;\; ( \;a>1\; )

練 2

練習題 2

若收斂數列 ⟨an⟩\langle a_n\rangle 極限為 LL , 則必有 a1+2a2+⋯+nann2→L2\displaystyle\frac{a_1+2a_2+\cdots+na_n}{n^2}\to \frac{L}2 。

練 3

練習題 3

若收斂數列 ⟨an⟩\langle a_n\rangle 極限為 LL , kk 為非負整數,則必有

lim⁡n→∞a1+2ka2+⋯+nkannk+1=Lk+1\begin{align*} \lim_{n\to\infty}\frac{a_1+2^ka_2+\cdots+n^ka_n}{n^{k+1}} =\frac{L}{k+1}\end{align*}

練 4

練習題 4

設 a1=1,an+1=an+12na_1=1 , a_{n+1}=a_n+\frac{1}{2n} ,證明:

(1) lim⁡n→∞ann=1\displaystyle\lim_{n\to\infty} \frac{a_n}{\sqrt n}=1

(2) lim⁡n→∞an2−nln⁡n=14\displaystyle\lim_{n\to\infty} \frac{a_n^2-n}{\ln n}=\frac 14

練 5

練習題 5

lim⁡n→∞1k+2k+⋯+nknk+1=1k+1\begin{align*} \lim_{n\to\infty} \frac{1^k+2^k+\cdots+n^k}{n^{k+1}} =\frac{1}{k+1} \end{align*}

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