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101 台灣大學微積分(C) 第 2 題

考題 / 轉學考微積分 / 台灣大學 / 微積分C

101學年度 · 101台大微積分C · 第 2 題

題目

2. lim⁡n→∞(n1+n2+n4+n2+⋯+ni2+n2+⋯+nn2+n2)=?\displaystyle \lim_{n\to\infty}\left(\frac{n}{1+n^2}+\frac{n}{4+n^2}+\cdots+\frac{n}{i^2+n^2}+\cdots+\frac{n}{n^2+n^2}\right)=? (20/100)(20/100)

解答

解法一

思路

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  • 先把每一項提出一個 1/n1/n,辨認為區間 [0,1][0,1] 上的黎曼和。
  • 再以定積分的極限定義求值。

答題過程

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原和式可改寫為

∑i=1nni2+n2=1n∑i=1n11+(i/n)2.\sum_{i=1}^n\frac{n}{i^2+n^2} =\frac1n\sum_{i=1}^n\frac1{1+(i/n)^2}.

這正是函數 f(x)=11+x2f(x)=\frac1{1+x^2} 在 [0,1][0,1] 的右端點黎曼和。因此

lim⁡n→∞1n∑i=1n11+(i/n)2=∫0111+x2 dx=π4.\boxed{\lim_{n\to\infty}\frac1n\sum_{i=1}^n\frac1{1+(i/n)^2} =\int_0^1\frac1{1+x^2}\,\mathrm{d}x=\frac\pi4}.