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111 政治大學微積分 第 2 題

考題 / 轉學考微積分 / 政大 / 微積分

111學年度 · 111微積分 · 第 2 題

題目

Problem

2. For every positive integer nn, let ak,n=k/na_{k,n} = k/n for k{1,,n}k \in \{1, \ldots, n\}. Which of the following statements is false?

(A) limnk=1nak,n/n=2/3\displaystyle\lim_{n\to\infty} \sum_{k=1}^n \sqrt{a_{k,n}} / n = 2/3.

(B) limnk=1nak,n6/n=1/7\displaystyle\lim_{n\to\infty} \sum_{k=1}^n a_{k,n}^6 / n = 1/7.

(C) limnk=1ntan(π/4πak,n/4)/n=2ln(2)/π\displaystyle\lim_{n\to\infty} \sum_{k=1}^n \tan(\pi/4 - \pi a_{k,n}/4) / n = 2\ln(2)/\pi.

(D) limnk=1nsin(πak,n/2)/n=1/π\displaystyle\lim_{n\to\infty} \sum_{k=1}^n \sin(\pi a_{k,n}/2) / n = 1/\pi.

(E) limnk=1ncos(πak,n)/n=0\displaystyle\lim_{n\to\infty} \sum_{k=1}^n \cos(\pi a_{k,n}) / n = 0.

解答

解法一

思路

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  1. 注意到 ak,n=k/na_{k,n} = k/n,因此每一個選項都有相同的結構: limnk=1nf ⁣(kn)1n\lim_{n\to\infty}\sum_{k=1}^n f\!\left(\frac{k}{n}\right)\cdot\frac{1}{n} 這正是 ff[0,1][0,1] 上的 Riemann 和(以右端點為取樣點,等分為 nn 份),其極限就是定積分 01f(x)dx\displaystyle\int_0^1 f(x)\,\mathrm{d}x
  2. 因此,判斷哪個敘述是錯的,只需把每個選項翻譯成對應的定積分,再逐一計算或估算積分值。其中 (A)(B)(E) 是直接算,(C) 需要做換元,而 (D) 很容易犯算術錯誤,請特別小心。

答題過程

展開

每個選項都利用 Riemann 和的極限公式 limnk=1nf ⁣(kn)1n=01f(x)dx\displaystyle\lim_{n\to\infty}\sum_{k=1}^n f\!\left(\frac{k}{n}\right)\frac{1}{n} = \int_0^1 f(x)\,\mathrm{d}x 轉換後,逐一驗算如下:


(A) 對應 f(x)=xf(x) = \sqrt{x}

01xdx=23x3/201=23\int_0^1\sqrt{x}\,\mathrm{d}x = \frac{2}{3}x^{3/2}\bigg|_0^1 = \frac{2}{3}

與選項一致。✓


(B) 對應 f(x)=x6f(x) = x^6

01x6dx=x7701=17\int_0^1 x^6\,\mathrm{d}x = \frac{x^7}{7}\bigg|_0^1 = \frac{1}{7}

與選項一致。✓


(C) 對應 f(x)=tan ⁣(π4(1x))f(x) = \tan\!\big(\frac{\pi}{4}(1-x)\big),積分為 01tan ⁣(π4(1x))dx\displaystyle\int_0^1\tan\!\left(\frac{\pi}{4}(1-x)\right)\mathrm{d}x

u=π4(1x)u = \dfrac{\pi}{4}(1-x),則 du=π4dx\mathrm{d}u = -\dfrac{\pi}{4}\,\mathrm{d}x,即 dx=4πdu\mathrm{d}x = -\dfrac{4}{\pi}\,\mathrm{d}u。積分範圍由 x=0u=π/4x=0 \to u=\pi/4x=1u=0x=1 \to u=0,代入後:

01tan ⁣(π4(1x))dx=π/40tanu(4π)du=4π0π/4tanudu=4π[lncosu]0π/4=4π(ln120)=4πln22=2ln2π\begin{align*} &\, \int_0^1\tan\!\left(\frac{\pi}{4}(1-x)\right)\mathrm{d}x \\[4mm] =&\, \int_{\pi/4}^{0}\tan u\cdot\left(-\frac{4}{\pi}\right)\mathrm{d}u \\[4mm] =&\, \frac{4}{\pi}\int_0^{\pi/4}\tan u\,\mathrm{d}u \\[4mm] =&\, \frac{4}{\pi}\Big[-\ln|\cos u|\Big]_0^{\pi/4} \\[4mm] =&\, \frac{4}{\pi}\left(-\ln\frac{1}{\sqrt{2}} - 0\right) \\[4mm] =&\, \frac{4}{\pi}\cdot\frac{\ln 2}{2} = \frac{2\ln 2}{\pi} \end{align*}

與選項一致。✓


(D) 對應 f(x)=sin ⁣(π2x)f(x) = \sin\!\left(\dfrac{\pi}{2}x\right)

01sin ⁣(π2x)dx=[2πcos ⁣(π2x)]01=2π(cosπ2cos0)=2π(01)=2π\begin{align*} &\, \int_0^1\sin\!\left(\frac{\pi}{2}x\right)\mathrm{d}x \\[4mm] =&\, \left[-\frac{2}{\pi}\cos\!\left(\frac{\pi}{2}x\right)\right]_0^1 \\[4mm] =&\, -\frac{2}{\pi}\big(\cos\tfrac{\pi}{2} - \cos 0\big) \\[4mm] =&\, -\frac{2}{\pi}(0 - 1) = \frac{2}{\pi} \end{align*}

積分結果為 2π\dfrac{2}{\pi},但選項宣稱是 1π\dfrac{1}{\pi}兩者不相等,此為錯誤敘述。✗


(E) 對應 f(x)=cos(πx)f(x) = \cos(\pi x)

01cos(πx)dx=1πsin(πx)01=1π(00)=0\int_0^1\cos(\pi x)\,\mathrm{d}x = \frac{1}{\pi}\sin(\pi x)\bigg|_0^1 = \frac{1}{\pi}(0-0) = 0

與選項一致。✓


結論: 選項 (D) 為錯誤敘述。正確積分值為 2π\dfrac{2}{\pi},而非 1π\dfrac{1}{\pi}