GVBS: Nguyễn Hoàng Vinh Chuyên Lương Thế Vinh – Đồng Nai
1
MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP TÍNH GIỚI HẠN DÃY SỐ
Nguyễn Hoàng Vinh Chuyên Lương Thế Vinh - Đồng Nai
1 - Nêu vấn đề
Ta xét c{c b|i to{n kh{ kinh điển sau
Bài toán 1: Cho dãy số
xn x{c định bởi 1 5 12 , 1
n n 2
x x x . Hãy chứng minh dãy đã cho hội tụ v| tìm giới hạn.
Bài toán 2: Cho dãy số
yn x{c định bởi 1 5 11 1
2 ,
2 1 2
n n
y y y
n
. Hãy chứng minh dãy đã cho hội tụ v| tính giới hạn.
Bài toán 3: Cho dãy số
zn x{c định bởi 2 5 1 5 1 22 2 2 , 1
n n n 2
z z z z z . Dãy đã cho có hội tụ hay không? Nếu có hãy tính giới hạn.
Để giải quyết b|i to{n 1, có kh{ nhiều hướng đi Hướng 1: Sử dụng định lý Lagrange.
Hướng 2: Chia l|m hai dãy, một dãy tăng v| có giới hạn, một dãy giảm v| có giới hạn để suy ra kết quả.
Tuy nhiên, hai hướng đi n|y kh{ bế tắc trong trường hợp b|i to{n 2 v| 3 khi trong hai b|i to{n n|y có v|i sự thay đổi.
B}y giờ, ta sẽ tổng qu{t hóa 1 lớp h|m cho b|i to{n 1 n|y v| giải được theo hướng 2. Sau đó, sẽ đề xuất c{c mở rộng phù hợp cho hai b|i to{n còn lại.
2 – Dãy số sinh bởi hàm nghịch biến một ẩn
Kh{ nhiều b|i to{n giới hạn có cấu trúc xn1 f x
n với f x
l| h|m số nghịch biến. Ta xétBài toán 2.1: Cho h|m số f :
;
;
, l| h|m số liên tục, nghịch biến trên
;
v| hệ phương trình
x f y y f x
GVBS: Nguyễn Hoàng Vinh Chuyên Lương Thế Vinh – Đồng Nai
2
Có nghiệm duy nhất x y a thì dãy số
xn :xn1 f x
n ,x0
;
hội tụ về a.Lời giải:
Giả sử x0 x2 thì x1 f x
0 x3 f x
2 ,x2 f x
1 x4 f x
3 ....Qu{ trình n|y tiếp diễn liên tục cho ta
x2n l| dãy giảm v|
x2n1
l| dãy tăng.Đồng thời hai dãy n|y bị chặn (do thuộc
;
) nên hội tụ. Đặt a1 limx2n,1 lim 2n 1
b x v| lấy lim ta có hệ
1 2
2 1
a f a a f a
Hệ n|y có duy nhất nghiệm theo giả thiết nên a1a2 a hay dãy đã cho hội tụ.
Trường hợp x0 x2 l|m tương tự cũng cho ta cùng 1 kết quả.
Nhận xét 2.1: Nếu f :
;
;
, thì kết quả vẫn đúng do khi đó, giả sử
x2n l| dãy giảm v| nó bị chặn dưới bởi nên có giới hạn. Đồng thời từ2n 2n 1
x x f với mọi n hay dãy
x2n1
tăng v| bị chặn trên nên cũng có giới hạn. Từ đ}y có kết quả cần tìm.Ví dụ 2.1: Dãy
1 2: 1
n n 1
n
x x
x
thìxn
0;1 , n 0và h|m số
1 2f x 1
x
nghịch biến trên
0;1 đồng thời Im f
0;1 . Xét hệ phương trình2
2
1 1
1 1
x y
y x
Đưa về giải phương trình 2
2
1 1 1
1 x
x
, thông qua xét h|m số, ta có phương trình n|y đúng 1 nghiệm nên dãy đã cho hội tụ.
Thật sự, với giả thiết điều kiện của h|m f thì khó ứng dụng rộng rãi trong các bài toán khác. Tôi xét bài toán sau
Bài toán 2.2: (Đề thi trường hè to{n học 2016) Cho 1 1 2
1; 1
2 n n n
x x x x . Tính giới hạn dãy đã cho.
Lời giải: B|i to{n đưa ra vấn đề sau
GVBS: Nguyễn Hoàng Vinh Chuyên Lương Thế Vinh – Đồng Nai
3
Cần chặn dãy
xn trên khoảng
a b; hợp lý để f x
1 x x2 nghịch biến trên đó.Nếu khởi đầu bằng quy nạp, việc lựa chọn
a b; thích hợp cũng g}y lúng túng cho học sinh.Ta xét c{ch chặn
xn như sau.- H|m số f x
1 x x2 nghịch biến trên 1; 2
.
- Phương trình x 1 x x2 có nghiệm l| 1 v| dự đo{n giới hạn l| 1.
- 1 1 3
1 1,
x 2 x x và suy ra x2 1,x2 x4. Qu{ trình n|y tiếp diễn liên tục tạo ra hai dãy
x2n1
tăng v|
x2n giảm đồng thời x2n
1;x2
,x2n1
x1;1 nên hai dãy đã cho hội tụ.Xét hệ phương trình
2 2
1 1
x y y
y x x
cho ta giới hạn của dãy
xn là 1.Nhận xét 1: Chỉ cần 1
1;1 x 2
thì dãy cũng hội tụ.
Nhận xét 2: Chỉ cần x1
0;1 thì dãy đã cho cũng hội tụ.Ta có thể mở rộng điều kiện b|i to{n 2.1 từ c{ch giải quyết b|i to{n 2.2 như sau
Bài toán 2.3: Cho h|m số f D: , nghịch biến trên D v| dãy
xn x{c định bởi xn1 f x
n v| thỏa điều kiện:1/ x1x x3, 1 x2 và
x x1; 2
D2/
a f b b f a
có nghiệm duy nhất a b ltrên
x x1; 2
. Chứng minh dãy đã cho có giới hạnLời giải:
Đầu tiên, ta chứng minh xn
x x1; 2
D,n. Thật vậy, có thể xét quy nạp không ho|n to|n như sauGVBS: Nguyễn Hoàng Vinh Chuyên Lương Thế Vinh – Đồng Nai
4
1 2 2 3 3 1; 2 3 4
x x x x x x x x x và x1x3 x2 x4 x4
x x1; 2
x3 x5.Từ đó, ta có x3x x5, 3x x x x4; 3, 4, 5
x x1; 2
. Qu{ trình n|y tiếp diễn liên tục cho ta điều phải chứng minh.Xét dãy x2n f
f x
2n2
,x2n1 f
f x
2n1
. Từ chứng minh trên ta có
x2n1
là dãy tăng v|
x2n l| dãy giảm. Đồng thời
x2n1
x x1; 2
, x2n x x1; 2
nên hai dãy đã cho hội tụ.Đặt alimx2n,blimx2n1. Lấy lim hai vế của xn1 f x
n ta có hệ
a f b b f a
Vậy, theo giả thiết, hệ có nghiệm duy nhất a b l nên limxn l.
Nhận xét 2.3: Điều kiện của b|i to{n 2.3 bỏ đi điều kiện cho Imf đồng thời thu hẹp miền có nghiệm duy nhất cho hệ
x f y y f x
.
Nhận xét 2.4: Điều kiện 1/ có thể thay th|nh x0 x x1, 0 x2. Ví dụ 2.2: Xét dãy
1 3 04 1
, ,
3 2
n
n n
x x x x . Thì khi đó,
4 33
f x x l| h|m nghịch
biến, 0 0 2
1 1, 0, 615
x 2 x x . Mặt kh{c, lại xét hệ
3 3
3 4
3 4
a b
b a
Ta chỉ quan t}m a b,
x x0; 1
. Thay4 3
3
b a v|o phương trình đầu để có phương trình
a1
3
a63a56a42a321a257a44
0Và do
0 1
; 1 31;
a x x 2 24 nên a1và suy ra b1. Vậy, theo b|i to{n 2.2.3, dãy đã cho hội tụ về 1.
GVBS: Nguyễn Hoàng Vinh Chuyên Lương Thế Vinh – Đồng Nai
5
Sau đ}y, ta xét thử 1 dãy kh{c với kết cấu h|m thay đổi nhưng c{ch chứng minh vẫn không bị ảnh hưởng.
Ví dụ 2.3:Xét dãy
xn x{c định bởi3
1 1 1 1 1
4 1 1 1
, ; 2 ,
6 2 2 2
n
n n n n
x x y x y y y
.
Lời giải:
Nhận xét đơn giản ta có:
y2n1
l| dãy tăng v|
y2n l| dãy giảm đồng thờilimyn 1.
Xét v|i gi{ trị: x10,5;x2 1, 26;x3 0, 75;x4 1,118 v| có bảng dưới.
Khi đó, quy nạp không ho|n to|n ta có hai dãy như sau
1 2 3 4 5 6 7
1 2 3 4 5 6 7
....
....
x x x x x x x
y y y y y y y
Ta kiểm tra được tính chất xi xi1 thì xi1xi2,xi2 xi3 với mọi gi{ trị i.Và tính được x11,x1x x3, 1x2 nên quy nạp được x2n11,
x2n1
l| dãy tăng với mọi gi{trị n nguyên dương. Tương tự, dãy
x2n giảm v| bị chặn dưới bởi x1. Vậy hay dãy
x2n , x2n1
lần lượt hội tụ về a,b. Khi đó, lấy lim ta có hệ3 3
3 4
3 4
a b
b a
v| hệ n|y đúng 1 nghiệm l| 1 thuộc
x x1; 2
nên dãy
xn hội tụ về 1.GVBS: Nguyễn Hoàng Vinh Chuyên Lương Thế Vinh – Đồng Nai
6 Ví dụ 2.4: Xét dãy
n : n 1 n , 0 0n
ax b
x x x
cx d
và adbc0; a b c d, , , 0 thì rõ ràng các phần tử của dãy đều l| số dương đồng thời hệ
x ay b cy d y ax b
cx d
cũng chỉ có đúng 1 nghiệm dương. Theo b|i to{n 2.1 ta có dãy đã cho hội tụ.
Ví dụ 2.5: Xét dãy
n : n 1 3 2 , 0 0n
x x a x
x b
với a,b l| c{c số dương thỏa ba, b1. Khi đó, dãy đã cho hội tụ theo b|i to{n 1.
Thật vậy, ta chỉ cần chứng minh hệ
3 2
3 2
x a
y b y b
x b
có nghiệm duy nhất thuộc
0;1 , quy đồng rồi trừ theo vế ta có phương trình
xy
x y2 2 b x
2xyy2
0. Lạichú ý rằng
2 2
2 x y2 1
xy b
x y xy
nên có x yđiều cần chứng minh. Thay v|o 1 trong hai phương trình ta có x5bx3 a v| tất nhiên phương trình n|y có nghiệm dương duy nhất.
Ví dụ 2.6: Cho dãy số x0 1,xn1cos sin
xn
thì khi đó, xn
0;1 với mọi n v| lại có h|m số f x
cos sin
x
nghịch biến trên (0;1). Xét hệ
cos sin cos sin
x y
y x
. Thay
phương trình thứ hai v|o phương trình đầu cho ta xcos sin cos sin
x
, bằng việc khảo s{t h|m số, ta thấy phương trình chỉ có nghiệm duy nhất. Hay hệ có nghiệm duy nhất. Từ đ}y ta có dãy
xn hội tụ theo b|i to{n 1.Ví dụ 2.7: Cho dãy số
2 0 3, n 1 2xn
x x . Khi đó, h|m số f x
21x đi từ
1,5;
đến
1,5;
do ta chứng minh được theo quy nạp: xn 1,5 với mọi gi{ trị n.Xét hệ phương trình
2
2
2 2
y
x
x y
, giả sử x < yta có theo định lý Lagrange, tồn tại
x c y để 1
2. 2 ln 2ln 2
x y
x y xy c
c xy
.
Từ đó, 2 ln 2x xy2 ln 2y 2ln 2 y x, 2ln 2. Điều n|y m}u thuẫn do x1,5.
GVBS: Nguyễn Hoàng Vinh Chuyên Lương Thế Vinh – Đồng Nai
7
L|m tương tự trường hợp y < x ta cũng dẫn đến m}u thuẫn. Vậy x y, và khi ấy, phương trình
2
2x
x chỉ có nghiệm duy nhất nên ta có giới hạn dãy đã cho là 2.
Tương tự ý tưởng n|y, ta tổng qu{t hóa 1 b|i to{n như sau Bài toán 2.4: Cho a>1 và f x
nghịch biến trên
0;
. Giả sử hệ
f x
f y
x a y a
có nghiệm dương duy nhất x y l thì khi đó, dãy số x{c định bởi x0 0,xn1 af x n
hội tụ.
3 – Dãy số sinh bởi hàm hai biến loại I
Ta xét dãy số 2 1 1 2
2 2 , 1, 1
n n n 2
x x x x x . Bằng c{ch thử bằng m{y tính, ta thấy dãy đã cho hội tụ về 2 v| dãy có kết cấu dạng xn2 f x
n1,xn
v| h|m số
,f x y có tính chất
1/ Đồng biến theo biến y với mọi x dương v| nghịch biến theo biến x với mọi y dương.
2/ Qua tính to{n, ta thấy
xn thỏa 1 5n 2
x với mọi gi{ trị n lớn hơn 1 nên hàm số f x y
, bị chặn.Từ c{c nhận xét trên, ta thử xét b|i to{n
Bài toán 3.1:Cho h|m số f x y
, đi từ
0;
2 đến
0;
thỏa điều kiện 1/ v| bịchặn hay
, 0
sup ,
x y
M f x y
. Đồng thời hệ
;
; x f y x y f x y
có nghiệm duy nhất l| L thì dãy
xn :x x0, 1 0;xn2 f x
n1,xn
hội tụ về L.Lời giải:Ta sẽ chọn dãy phụ để kẹp dãy
xn . Xét hệ dãy
0 0
1 1
0,
, 1
,
n n n
n n n
u v M
u f v u
v f u v
Khi đó, dễ có u0 x1,...,x xn, n1,xn2...v0 với mọi n tự nhiên. Và
1 2,..., n 2 n 1; n , n 3,.... 0; 0 1
u x x f x x x f u v v
đúng với mọi gi{ trị n tự nhiên. Một c{ch tương tự thì
GVBS: Nguyễn Hoàng Vinh Chuyên Lương Thế Vinh – Đồng Nai
8
2 4; 5;...; n;... 2
u x x x v
3 6; 7;...; n;... 3
u x x x v
<<.<<<<<
2 , 2 1,....
n n n n
u x x v
Hay đơn giản hơn: hai dãy
x2n , x2n1
bị kẹp giữa hai dãy
un , vnLại có u0 u v1, 0 v1 nên từ định nghĩa hai dãy
un , vn ta có u2 u v1, 2 v1,... Và quy nạp được
un l| dãy tăng,
vn l| dãy giảm. Tất nhiên theo tính bị chặn của h|m số f x y
, cho ta sự hội tụ của hai dãy.Đặt limun u, limvn v v| lấy lim hai vế của (1) cho ta hệ
;
; u f v u v f u v
có nghiệm duy nhất l| L hay limun limvn L.
Áp dụng định lý kẹp, ta có limx2n limx2n1 L limxn. Nhận xét 3.1:
- Từ c{ch chứng minh trên, ta có thể thay điều kiện h|m số f x y
, bị chặn bởi dãy
xn bị chặn trên *a;b+.- Ta thay điều kiện 1/ bởi: Đồng biến theo biến y trên *a;b+ với mọi x
a b; và nghịch biến theo biến x trên *a;b+ với mọi y
a b; .Áp dụng: Quay lại b|i to{n mở đầu - Do 1 2
; 1;5 u u 2
nên 3 1 2
5 5
1 2 2 2 2 2 5 1
2 u u u 2
v| quy nạp được kết quả 1;5
n 2
u
với mọi n.
- Vậy ta chỉ xét h|m số f x y
;
2 2 yx trên miền5 2
1;2
v| hệ
2 2
2 2 2 2
x x y
y y x
chỉ có nghiệm duy nhất l| (2;2) trên vùng 1;5 2
. Vậy, dãy đã cho có giới hạn l| 2.
Ví dụ 3.1: Cho dãy 2 1 0 1
2 1
, , 0
1
n n
n n
x x x x
x x
, khi đó, dãy n|y bị chặn bởi 0 v| 2 đồng thời h|m số
;
2 11 f x y y
x y
đồng thời thỏa cả hai điều kiện:
GVBS: Nguyễn Hoàng Vinh Chuyên Lương Thế Vinh – Đồng Nai
9
1/ Đồng biến theo biến y với mọi x dương v| nghịch biến theo biến x với mọi y dương.
2/ Bị chặn v| hệ
;
; x f y x y f x y
có nghiệm dương duy nhất l| 1.
Vậy, dãy đã cho hội tụ. Ta có limxn 1.
Bài toán 3.2: Cho h|m số f x y
, đi từ
0;
2 đến
0;
thỏa điều kiện1/ Đồng biến theo biến x với mọi y dương v| nghịch biến theo biến y với mọi x dương
2/ Bị chặn hay
, 0
sup ,
x y
M f x y
. Đồng thời hệ
;
; x f x y y f y x
có nghiệm duy nhất l| L thì dãy
xn :x x0, 1 0;xn2 f x
n1,xn
hội tụ về L.Lời giải: Ta nhận xét đ}y l| b|i to{n 3.1 chỉ thay đổi giả thiết của h|m số
;f x y . Chú ý l| phương ph{p l|m vẫn tương tự như thay đổi c{ch đặt dãy kẹp như sau
0 0
1 1
0,
, 1
,
n n n
n n n
u v M
u f u v
v f v u
C{c bước còn lại như b|i to{n 2.1 nên ta không viết lại ở đ}y.
Ví dụ 3.2: Cho dãy 2 1 1 0 1
2 1
, , 0
1
n n
n n
x x x x
x x
thì dãy này thỏa c{c điều kiện của bài toán 2.2 nên hội tụ về 1.
Ví dụ 3.3: Cho dãy 1 2 1, 2 1
3 1 1
n 3 n n
x x x x x . Chứng minh dãy đã cho hội tụ.
Lời giải:
- Ta quy nạp được xn
0;1 với mọi gi{ trị n, hay dãy (xn) bị chặn.- H|m số
; 1
3 1
f x y 3 y x đồng biến theo x với mọi y thuộc
0;1 v| nghịch biến theo y với mọi x thuộc
0;1 .GVBS: Nguyễn Hoàng Vinh Chuyên Lương Thế Vinh – Đồng Nai
10
- Hệ
3
3
1 1
3
1 1
3
x x y
y y x
chỉ có nghiệm L duy nhất thuộc *0;1+.
Vậy, dãy đã cho hội tụ.
4 – Dãy số phát sinh bởi hàm hai ẩn loại II
Xét dãy
xn x{c định bởi1 2
2
1
2 3
n 1
n n
x x
x x x
.
Nhận xét: Dãy đã cho có dạng xn2 f x
n1,xn
và
;
3f x y 1
x y
nghịch biến theo từng biến x,y.
Dễ thấy: xn
0;3 với mọi gi{ trị n1, 2,...Đặt
1 1
1
1
0, 3
3 1 2
3 1 2
n
n
n
n
u v
u v
v u
,
Khi ấy ta có: xn
u v1; 1
với mọi gi{ trị n nên2 2
1 1
3 3
1 1 2
n
n n
x v
x x u
và 2 2
1 1
3 3
1 1 2 ,
n
n n
x u
x x v
Điều n|y đúng với mọi gi{ trị n0. Lập luận tương tự thì
2 3
1 2
3 3
1 1 2
n
n n
x v
x x u
và 2 3
1 2
3 3
1 1 2 ,
n
n n
x u
x x v
V| điều n|y đúng với mọi gi{ trị n2. Qu{ trình n|y tiếp diễn liên tục thì
2 , 2 2 1
m n m
u x v n m
GVBS: Nguyễn Hoàng Vinh Chuyên Lương Thế Vinh – Đồng Nai
11
Mặt kh{c, u1u v2, 1 v2 nên 3 2 3 2
2 1 2 1
3 3 3 3
1 2 1 2 , 1 2 1 2
u u v v
v v u u
< qu{
trình n|y l|m tương tự cho ta
un l| dãy tăng v|
vn l| dãy giảm. Đồng thời hai dãy bị chặn nên tồn tại lim l| a,b thuộc
0;3 . Xét hệ3 1 2
3 1 2
a b
b a
Thì hệ đã cho có nghiệm duy nhất trong (0;3). Vậy, lấy lim c{c vế của (1) v| từ định lý kẹp cho ta
limxn 1
Từ c{ch chứng minh trên v| c{c b|i to{n 2.1, 3.1 ta có b|i to{n tổng qu{t sau Bài toán 4.1: Cho dãy
xn : ,x x1 2,xn2 f x
n1,xn
v| bị chặn trên (a;b). Biết
;f x y thỏa hai điều kiện sau
1/ Nghịch biến theo từng biến trên (a;b).
2/ Hệ
;
; x f y y y f x x
chỉ có nghiệm (L;L) duy nhất trên (a;b)2. Khi ấy, dãy đã cho hội tụ về L.
Phương ph{p chứng minh vẫn tương tự như c{c phần trước v| đã minh họa ở b|i to{n mở đầu nên ta không chứng minh lại nữa.
Ví dụ 4.1: Cho dãy
xn x{c định bởi 1 2 21
1 1
, 0,
1 1
n
n n
x x x
x x
.
Lời giải:
1. Dãy đã cho bị chặn trên
0; 2 v| h|m số
;
1 11 1
f x y
x y
nghịch biến theo từng biến trên (0;2).
2. Xét hệ 2
2 1 2
2 2
2 1
x y x xy x y
y xy x x
y x
v| hệ n|y chỉ có nghiệm duy nhất l|
(1;1)
Vậy dãy đã cho có giới hạn l| 1.
GVBS: Nguyễn Hoàng Vinh Chuyên Lương Thế Vinh – Đồng Nai
12
Ví dụ 4.2: Cho dãy
xn x{c định bởi 2 1 1 21 1 1
. 2 ,
1 2 2
n n
n
x x x x
x
. Tính giới
hạn dãy đã cho.
Lời giải: Ta lần lượt kiểm tra c{c điều kiện của b|i to{n 4.1 1/ Ta có x x1, 2
0; 2 . Giả sử x xk, k1
0; 2 thì2 1
1 1 1
0 . 2 1 2 2
1 2 2
k k
k
x x
x
3 2
1
1 1 1
0 . 2 1 2 2
1 2 2
k k
k
x x
x
Vậy dãy đã cho bị chặn v| giảm theo từng biến.
2/ Xét hệ
1 1
1 2 2
1 1
1 2 2
x y
y
y x
x
. Trừ theo vế ta có
x y
1
1 x
11 y
2
2 x1 2 y
0 1
Mặt kh{c, ta có thể chặn dãy trên chặt hơn: 1 11
2xn 10 với mọi gi{ trị n > 2. Từ đó chỉ xét hệ đã cho trên 1 11;
2 10
. Khi đó, do
1x
11y
94 và
1
12102 2 x 2 y
nên