Skip to content
CalcGospel 微積分福音
返回

111 學年度台聯大微積分 A2 第 5 題

考題 / 轉學考微積分 / 台聯大 / 微積分A2

111學年度 · 111台聯大微積分A2 · 第 5 題

題目

Problem

5. Find the limit limnk=1n1nln(1+kn)\displaystyle\lim_{n\to\infty} \sum_{k=1}^n \frac{1}{n} \ln\left(1 + \frac{k}{n}\right).

解答

解法一:黎曼和與變數變換法

思路

展開
  1. 將級數極限識別為黎曼和(Riemann Sum)的定積分形式。
  2. 自變數間隔為 Δx=1n\Delta x = \frac{1}{n},節點為 xk=knx_k = \frac{k}{n},對應積分區間為 [0,1][0, 1]
  3. 被積函數為 f(x)=ln(1+x)f(x) = \ln(1+x)
  4. 將極限寫為 01ln(1+x)dx\int_0^1 \ln(1+x)\,\mathrm{d}x,利用變數變換 u=1+xu=1+x 簡化後,以基本積分公式求解。

答題過程

展開

原極限式可表示為黎曼和形式,對應區間 [0,1][0, 1]

limnk=1n1nln(1+kn)=01ln(1+x)dx\lim_{n\to\infty} \sum_{k=1}^n \frac{1}{n} \ln\left(1 + \frac{k}{n}\right) = \int_0^1 \ln(1+x)\,\mathrm{d}x

u=1+x    du=dxu = 1+x \implies \mathrm{d}u = \mathrm{d}x

  • x=0    u=1x=0 \implies u=1
  • x=1    u=2x=1 \implies u=2

代回定積分:

12lnudu\int_1^2 \ln u\,\mathrm{d}u

使用分部積分,對 lnu\ln u 積分的反導函數為 ulnuuu\ln u - u

[ulnuu]12=(2ln22)(1ln11)=2ln22(01)=2ln21\left[ u\ln u - u \right]_1^2 = (2\ln 2 - 2) - (1\ln 1 - 1) = 2\ln 2 - 2 - (0 - 1) = \boxed{2\ln 2 - 1}

解法二:直接分部積分法

思路

展開
  1. 將極限轉換為黎曼和後,直接對定積分 01ln(1+x)dx\int_0^1 \ln(1+x)\,\mathrm{d}x 進行分部積分。
  2. 設定 u=ln(1+x),dv=dxu = \ln(1+x), \mathrm{d}v = \mathrm{d}x,無須事前變數代換,直接展開求解。

答題過程

展開

將原極限寫成定積分:

I=01ln(1+x)dxI = \int_0^1 \ln(1+x)\,\mathrm{d}x

使用分部積分法,令 u=ln(1+x)    du=11+xdxu = \ln(1+x) \implies \mathrm{d}u = \frac{1}{1+x}\,\mathrm{d}x,且 dv=dx    v=x\mathrm{d}v = \mathrm{d}x \implies v = x

I=[xln(1+x)]0101x1+xdx=(1ln20)01(111+x)dx=ln2[xln(1+x)]01=ln2(1ln2)=2ln21\begin{align*} I =&\, \left[ x\ln(1+x) \right]_0^1 - \int_0^1 \frac{x}{1+x}\,\mathrm{d}x \\[4mm] =&\, \left( 1\ln 2 - 0 \right) - \int_0^1 \left( 1 - \frac{1}{1+x} \right)\mathrm{d}x \\[4mm] =&\, \ln 2 - \left[ x - \ln(1+x) \right]_0^1 \\[4mm] =&\, \ln 2 - \left( 1 - \ln 2 \right) = \boxed{2\ln 2 - 1} \end{align*}