題目
Problem
5. Find the limit n→∞limk=1∑nn1ln(1+nk).
解答
解法一:黎曼和與變數變換法
思路
展開
- 將級數極限識別為黎曼和(Riemann Sum)的定積分形式。
- 自變數間隔為 Δx=n1,節點為 xk=nk,對應積分區間為 [0,1]。
- 被積函數為 f(x)=ln(1+x)。
- 將極限寫為 ∫01ln(1+x)dx,利用變數變換 u=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]:
n→∞limk=1∑nn1ln(1+nk)=∫01ln(1+x)dx
令 u=1+x⟹du=dx。
- 當 x=0⟹u=1。
- 當 x=1⟹u=2。
代回定積分:
∫12lnudu
使用分部積分,對 lnu 積分的反導函數為 ulnu−u:
[ulnu−u]12=(2ln2−2)−(1ln1−1)=2ln2−2−(0−1)=2ln2−1
解法二:直接分部積分法
思路
展開
- 將極限轉換為黎曼和後,直接對定積分 ∫01ln(1+x)dx 進行分部積分。
- 設定 u=ln(1+x),dv=dx,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)dx
使用分部積分法,令 u=ln(1+x)⟹du=1+x1dx,且 dv=dx⟹v=x:
I====[xln(1+x)]01−∫011+xxdx(1ln2−0)−∫01(1−1+x1)dxln2−[x−ln(1+x)]01ln2−(1−ln2)=2ln2−1