题目

证明数列 收敛,从而 ANL-DEF-009 中的极限存在。

分析

思路:用 ANL-THM-006 单调有界定理。两步—— 第一步证 单调递增;第二步证 有上界。

关键工具:二项式展开,把 化为有限和的形式

处理后每一项都能与 对应项作比较,单调性立得; 同时通项可用 控制,得有界性。

证明 / 解答

第 1 步:将 化为可比形式。

由二项式定理:

把 拆到分子各因子上:

故

第 2 步:单调性 。

对比 与 :

  • 共 项; 共 项—— 多一项(,正数)。
  • 对相同的 (),由 知 , 故 。

两点合起来:。 严格单调递增。

第 3 步:有上界 。

在 中每个因子 ,故

而对 :,故 。

故 对所有 成立。

第 4 步:应用单调有界定理。

由 ANL-THM-006,单调递增 + 有上界 收敛。 其极限即定义 ANL-DEF-009 中的自然常数 ,且 。

关键技巧

  • 二项式展开 + 因式重排:把 化为可与 逐项比较的形式,是处理”指数增长 vs 底接近 1”型不定型的标准武器。
  • 逐项放大成阶乘倒数级数:用 控制 ,这同时给出更精细的估计:实际上 。
  • 比较 与 时分两段:相同下标项的因子比较 + 多出的正项。

变式

  • 变式 1:证明 单调递减,且与 同极限。这给出 的”上下夹逼”估计:。
  • 变式 2:证明 (提示:用 把指数表达式转到 量级)。
  • 变式 3:证明 对任意 (提示:换元 ,分情况讨论 )。