Bài tập nâng cao giới hạn của dãy số
Giới hạn của dãy số
NỘI DUNG
I) Phương pháp sử dụng định nghĩa giới hạn dãy số
1. Kiến thức sử dụng:
Định nghĩa: lim un L 0, N N * : n N un L
Sử dụng:
- Tiêu chuẩn Cơ-si: Dãy {xn} có giới hạn hữu hạn khi và chỉ khi với mọi > 0,
tồn tại số tự nhiên N sao cho với mọi m, n N ta có |xm – xn| < .
- Nguyên lý ánh xạ co: Nếu với mọi x, y ta có |f(x) – f(y)| q|x-y| với q là
hằng số 0 < q < 1 và {xn} bị chặn thì {xn} hội tụ. Đặc biệt nếu |f’(x)| q < 1 thì ta
ln có điều này.
Ý tưởng chính: Đánh giá un L q un1 L ; q 1 và un1 un q un un1 ; q 1
Phương pháp này thường được dùng khi ta thấy dãy số không tăng, không giảm.
2. Các ví dụ:
1
3
1
Bài 1: (Đề thi HSG Quảng Bình) Cho dãy số u1 và un1 un2 1 . Tìm giới hạn dãy
số?
HD:
2
Chứng minh: 1 un 0
1
2
Giải phương trình x x 2 1 x 1 3 a
Xét un a
a2 1
un2
3
1 1 u n a un a
un a
2
2
2
2
Suy ra lim un 1 3
Bài 2: (Đề dự bị VMO 2008) Cho số thực a và dãy số thực (u n ) xác định bởi:
u1 a và un+1 = ln(3+cosun + sinun) – 2008 với mọi n = 1, 2, 3, …
Chứng minh rằng dãy số (un )có giới hạn hữu hạn.
HD:
Đặt f(x) = ln(3+sinx+cosx) – 2008 thì f '( x )
cos x sin x
3 sin x cos x
Từ đó, sử dụng đánh giá | cos x sin x | 2, | sin x cos x | 2 ta suy ra
| f ' ( x) |
2
q 1.
3 2
Áp dụng định lý Lagrange với m > n N, ta có
|um – un| = |f(um-1) – f(un-1)| q|um-1-un-1| … qn-1|um-n+1 – u1|.
Do dãy (un) bị chặn và q < 1 nên dãy (xn) thoả mãn điều kiện Cauchy nên có giới hạn
hữu hạn.
Nguyễn Minh Tuấn - GV trường THPT Chuyên QB
Giới hạn của dãy số
1
Bài 3: (Đề thi vô địch Nga 1982) Cho dãy số u1 1 và un1
. Tìm giới hạn dãy
1 un
số?
HD: Chứng minh: 0 un 1
1
5 1
x
a
1 x
2
1
1
2 un a
2
Xét un1 a
un a
1 un 1 a 1 5 1 u n 1 5
Giải phương trình x
Suy ra lim un
5 1
a
2
Bài 4: Cho dãy số (un) định bởi u1 (1, 2) và un+1 = 1 + un – un2/2. Chứng minh
rằng (un) có giới hạn hữu hạn và tìm giới hạn đó.
HD: Chứng minh: rằng 1 < un < 3/2
1
2
Giải phương trình x 1 x x 2 x 2 a
Xét un1 a | un 1 2 ||1 un
un2
2 un 1 2 2 1
2 || un 2 ||
||
|| un 2 |
2
2
4
Suy ra lim un 2
3. Bài tập tự giải:
1
. Tìm giới hạn dãy số?
4 3un
2012
Bài 2: Cho dãy số u1 a và un1
ln un2 20122 20122 .Chứng minh dã số có giới
3
Bài 1: Cho dãy số u1 2012 và un1
hạn.
II) Phương pháp sử dụng cơng thức, tính chất của các dãy số đặc biệt
1. Kiến thức sử dụng:
- Tính chất của các dãy số là cấp số cộng, cấp số nhân
- Các công thức đối với các dãy số quen thuộc:
1
1
1
n(n 1) n n 1
1
1 2 3 ... n n(n 1)
2
1
12 22 32 ... n 2 n(n 1)(2n 1)
6
2
n(n 1)
3
3
3
3
1 2 3 ... n
2
Ý tưởng chính: Đưa các dãy số về các dãy số quen thuộc
2. Các ví dụ:
Nguyễn Minh Tuấn - GV trường THPT Chuyên QB
Giới hạn của dãy số
Bài 1: Cho dãy số un
HD:
1 1
1
...
.Tìm giới hạn dãy số?
1.2 2.3
n(n1)
1 1 1 1
1
1
1
un ...
1
1 2 2 3
n n 1
n 1
Suy ra lim un 1
Bài 2: Cho dãy số u n
un 1
2 2 4 2 6 2 .... 2 n
1 2 3 .... 2n
2
HD:
12 32 5 2 .... 2 n 1
2
2
2
22 42 62 .... 2 n
2
2
2
.Tìm giới hạn dãy số?
2n(2n 1)(4n 1)
(4n 1)
6
n(n 1)(2n 1) 2(n 1)
4.
6
Suy ra lim un 1 .
Bài 3: Cho dãy số u1 5 và un1
5un 4
. Tìm giới hạn dãy số?
un 2
HD: Chứng minh: un 4
un 4
1
6
1
un 2
un 1 4
un 4
1
1
5
Xét xn
un 4 n
un 4 5
6 1
Ta có: un1 4
Suy ra lim un 4
2
3
n
un
. Tìm giới hạn dãy số xn un ?
2(2n 1)un 1
i 1
1
(2n 1)(2n 1)
1
1
HD: Đặt vn vn
un
un
2
2n 1 2n 1
Bài 4: Cho dãy số u1 và un1
Suy ra lim xn 1
Bài 5: Cho dãy số u1 1 và un1 un2 a n (0 a 1) . Tìm giới hạn dãy số?
HD: Chứng minh: u12 1; u22 1 a; u32 1 a a 2 ;...; un2 1 a a 2 ...a n1
1 an
Suy ra: un
1 a
1
Vậy lim un
1 a
Bài 6: Cho dãy số u1 2011 và un1 n 2 un 1 un . Tìm giới hạn dãy số?
HD: Ta có:
0 un
n
2
1 un 1
un 1
n
(n 1)(n 1)
(n 1)(n 1)(n 2)n
n 1
n 1
un1
un 2 ...
u1
2011
Mặt khác: un
2
2
2
n
n (n 1)
2n
2n
2011
Vậy lim un
2
2
Nguyễn Minh Tuấn - GV trường THPT Chuyên QB
Giới hạn của dãy số
3. Bài tập tự giải:
Bài 1: Cho dãy số un
1
1
1
...
. Tìm giới hạn dãy số?
1.2.3 2.3.4
n(n 1)(n 2)
3
13 33 53 .... 2 n 1
Bài 2: Cho dãy số u n
2 3 4 3 6 2 .... 2 n
Bài 3: Cho dãy số un 1
3
.Tìm giới hạn dãy số?
1
1
1
1
1 2 1 2 1 2 . Tìm giới hạn dãy số?
2
2 3 4 n
Bài 4: Cho dãy số u1 1 và un1 n unn a n (0 a 1) . Tìm giới hạn dãy số?
III) Phương pháp sử dụng định lí kẹp
1. Kiến thức sử dụng:
- Định lí kẹp
vn un wnn N * : lim vn lim wn a lim un a
Ý tưởng chính: Đánh giá dãy số qua hai dãy số tính được giới hạn
2. Các ví dụ:
3
11 22 3...
nn
Bài 1: Cho dãy số un
.Tìm giới hạn dãy số?
nn2
3
11 22 3...
nn nn
.n 1
n2 0
HD: 0un
nn2
n
n
Suy ra lim un 0
1.3.5.7...(2 n 1)
.Tìm giới hạn dãy số?
2.4.6.8...(2 n )
1.3.5.7...(2 n 1)
1.3.5.7...(2 n 1)
0 un
2.4.6.8...(2 n )
1.3 3.5 5.7... (2 n 1)(2 n 1)
Suy ra lim un 0 .
Bài 2: Cho dãy số u n
HD:
1
0
2n 1
Bài 3: Cho dãy số un n n . Tìm giới hạn dãy số?
HD: Ta có:
1 un n n n 1.1...1. n n
1 1 ... 1 n n n 2 2 n
2
1
1
n
n
n
Suy ra lim un 1
Bài 4: Cho dãy số un
n
n
n
2
... 2
. Tìm giới hạn dãy số?
n 1 n 2
n n
2
HD: Ta có:
n
n
n2
n2
n. 2
un n. 2
1 2
un 2
1
n n
n 1
n n
n 1
Nguyễn Minh Tuấn - GV trường THPT Chuyên QB
Giới hạn của dãy số
Suy ra lim xn 1
Bài 5: Cho phương trình x 2n 1 x 2 x 1 . Chứng minh rằng phương trình có duy nhất
1 nghiệm dương xn . Tìm giới hạn dãy số xn ?
HD: Ta chứng minh phương trình có duy nhất nghiệm thuộc (1;2) bằng tính chất hàm
số liên tục và chứng minh dãy số xn là dãy số giảm.
Ta có:
1 1 ... 1 xn2 xn 1 2n 1 xn2 xn
1 xn
x xn 1
2n 1
2n 1
2n 1 6
6
1
1
2n 1
2n 1
2 n 1
2
n
Suy ra lim xn 1
3. Bài tập tự giải:
2n
Bài 1: Cho dãy số un . Tìm giới hạn dãy số?
n!
Bài 2: Cho dãy số u n n 1 a n .Tìm giới hạn dãy số?
1 2 2 ... n n
Bài 2: Cho dãy số u n
.Tìm giới hạn dãy số?
nn
IV) Phương pháp sử dụng tính đơn điệu và bị chặn
1. Kiến thức sử dụng:
- Định lí: Dãy số tăng bị chặn trên (giảm bị chặn dưới) thì tồn tại giới hạn
Ý tưởng chính: Chứng minh dãy số đơn điệu
Chứng minh dãy số bị chặn
Giải phương trình tìm giới hạn
2. Các ví dụ:
Bài 1: (Đề thi HSG lớp 11 Quảng Bình) Cho dãy số u1 2008 và
un1
1
2008
2007un 2007 (n 1)
2008
un
Tìm giới hạn dãy số?
HD:
Chứng minh:
1
2008
1
2008 2008
2008
2007un 2007
un un +...+u n + 2007
2008
un 2008
un
1
2008
1 2008 un2008
u
2007
u
u
Ta có n 1
n
0
n
2008
un2007
2008
un2007
un1
Nguyễn Minh Tuấn - GV trường THPT Chuyên QB
Giới hạn của dãy số
Suy ra lim un 2008 2008
x1 3
Bài 2: ( Đề thi HSG Quốc gia năm 2012) Cho dãy số
n2
.Tìm giới
xn 3n ( xn 1 2)
hạn dãy số?
HD:
Chứng minh: xn 1
n2
(n 3) . Khi đó
n 1
2[(n 2) ( n 1) xn 1 ]
n2
( xn 1 2) xn 1
.
3n
3n
Suy ra (xn) là dãy số giảm kể từ số hạng thứ hai. Ngoài ra, theo (1), nó bị chặn dưới
bởi 1. Theo tính chất của dãy đơn điệu, tồn tại giới hạn hữu hạn lim xn a. Chuyển
Xét hiệu xn xn 1
n
đẳng thức xn
n2
1
( xn 1 2) sang giới hạn, ta được a ( a 2) a 1 .
3n
3
Vậy lim
xn 1.
n
3
u 3u
Bài 3: Cho dãy số u1 2012 và un1 n 2 n . Tìm giới hạn dãy số?
3un 1
HD: Ta có:
un1 1
Xét hiệu un1 un
(un 1)3
0
3un2 1
2un3 2un
0 . Do đó dãy số giảm và bị chặn dưới nên tồn tại
3un2 1
giới hạn. Suy ra lim un 1
Bài 4: Cho dãy số u1 1 và un1 un2 un 1 un2 un 1 . Tìm giới hạn dãy số?
HD: Ta có:
un1
2un
un2 un 1 un2 un 1
0
2
Mặt khác:
2
1 3
1 3
u un 1 u un 1 un un
2 4
2 4
2
n
2
n
2
2
1
1 3
3
un un
2
2
2 2
2
Do đó dãy số giảm và bị chặn dưới nên tồn tại giới hạn. Suy ra lim un 0
1
Bài 5: Cho dãy số 0un 1 và un1 (1 un ) . Tìm giới hạn dãy số?
4
1
4
HD: Ta có: un1 (1 un ) un (1 un ) un 1 un
Do đó dãy số giảm và bị chặn nên tồn tại giới hạn. Suy ra lim un
Nguyễn Minh Tuấn - GV trường THPT Chuyên QB
1
2
Giới hạn của dãy số
un
Bài 6: Cho dãy số {xn} xác định bởi u1 2 và un1 2 . Chứng minh rằng dãy
{un} có giới hạn hữu hạn và tìm giới hạn đó.
HD: Đặt f ( x ) ( 2 ) x thì dãy số có dạng x0 2 và xn+1 = f(xn). Ta thấy f(x) là hàm
n
2
số tăng và x1 2 2 x0 . Suy ra {xn} là dãy số tăng.
Chứng minh bằng quy nạp rằng xn < 2.
Vậy dãy {xn} tăng và bị chặn trên bởi 2 nên dãy có giới hạn hữu hạn. Gọi a là giới
x
a
hạn đó thì chuyển đẳng thức x n1 2 sang giới hạn, ta được a 2 . Ngồi ra ta
cũng có a 2.
n
x
Xét phương trình x 2
ln x
ln( 2) x 2 . Suy ra lim un 2
x
3. Bài tập tự giải:
2
un
1
2012
Bài 1: Cho dãy số u1 2012 và un1 un
. Tìm giới hạn dãy số?
Bài 2: Cho dãy số u1 2012 và un1
un2 6
. Tìm giới hạn dãy số?
2un 1
2n
. Tìm giới hạn dãy số?
n!
2un un ln 2 1 1
u
2012
Bài 3: Cho dãy số 1
và un1
. Tìm giới hạn dãy số?
2un ln 2 1
n
1
Bài 4: Cho dãy số un1 1 . Tìm giới hạn dãy số?
n
Cho dãy số un
Bài 5: Cho dãy số u1 b và un1 un2 (1 2a)un a 2 . Xác định a, b để dãy số có giới hạn
và tìm giới hạn dãy số?
Bài 6: Cho dãy số un1
n 1 21 22
2n
...
. Tìm giới hạn dãy số?
2n1 1 2
n
V) Phương pháp sử dụng sai phân
1. Kiến thức sử dụng:
n
n
- Sai phân: k xk 1 xk k xk 1 xk xn1 x1
k 1
k 1
Ý tưởng chính: Biểu diễn tổng các số hạng qua sai phân
2. Các ví dụ:
u1 = 2008
Bài 1:
2
2
u n+1 = u n - 4013u n + 2007 (n 1)
a) Chứng minh: u n n + 2007 .
1
1
1
+
+ ... +
b) Đặt x n =
u1 - 2006
u 2 - 2006
u n - 2006
Tìm lim x n
Nguyễn Minh Tuấn - GV trường THPT Chuyên QB
Giới hạn của dãy số
HD: a) Bạn đọc tự giải. Câu b):
un 1 un2 - 4013un 2007 2
(un 1 2007) (un 2006)(un 2007)
1
1
un1 2007 (un 2006)(un 2007)
1
1
1
un1 2007 un 2007 un 2006
Suy ra
xn
1
1
1
...
u1 - 2006
u2 - 2006
un - 2006
1
1
1
1
u1 - 2007 u n 1 - 2007
un 1 - 2007
Suy ra lim un 1
u1 1
Bài 2: Cho dãy số ( un ) xác định như sau: un 1
2011
u 1 un , n N , n 1
n
u12011 u22011
un2011
Tính lim
...
u
u
un 1
3
2
Ta có:
HD:
un1
1
1
un2011
2011
2012
2012
1 un un 1 un un un1 un un
un
un un 1 un1
u12011 u22011
un2011 1
1
1
Suy ra:
...
1
u2
u3
un 1 u1 un1
un 1
1
Chứng minh lim un lim
0
un1
u12011 u22011
un2011
Vậy lim
...
=1
u
u
u
3
n 1
2
u1 5
Bài 3: Cho dãy số:
un2010 3un 16
u
n1 u 2009 u 11
n
n
n
1
Tính lim 2009
7
i 1 ui
HD: Ta có:
Nguyễn Minh Tuấn - GV trường THPT Chuyên QB
Giới hạn của dãy số
u
4
2009
n
7 un 4
1
1
1
un2009 7 (un 4)
un 1 4 un 4 un2009 7
n
1
1
1
1
Suy ra: 2009
1
7 u1 4 un 1 4
un1 4
i 1 ui
1
Chứng minh lim un lim
0
un1 4
n
1
Vậy lim 2009
=1
u
7
i 1 i
1
u
1
2
Bài 4: Cho dãy số ( un ) xác định như sau:
2
u un 4un un , n N , n 1
n1
2
n
1
Tính lim 2
i 1 ui
1
1
1
HD: Ta có: 2
ui ui1 ui
n
1
1 1 1
1
Suy ra: 2 2 6
u1 u1 un
un
i 1 ui
1
Chứng minh lim un lim 0
un
n
1
Vậy lim 2 =6
i 1 ui
un1
lim xn 1
3. Bài tập tự giải:
u1 3
1 2
Bài 1: Cho dãy số:
u
n1 2 un un 2
n
1
Tính nlim
?
i 1 ui
(n 1)
u1 1
Bài 2: Cho dãy số:
un1 un (un 1)(un 2)(un 3) 1
Nguyễn Minh Tuấn - GV trường THPT Chuyên QB
(n 1)
Giới hạn của dãy số
n
1
?
i 1 ui 2
u1 a 1
Bài 3: Cho dãy số:
2
2010un 1 un 2009un (n 1)
n
ui
Tính nlim
?
i 1 ui 1 1
VI) Phương pháp lượng giác hóa
1. Kiến thức sử dụng:
- Biểu diễn số hạng tổng quát của dãy số bằng cơng thức lượng giác để tính
giới hạn: cơng thức nhân đôi, nhân ba, các hằng đẳng thức lượng giác.
- Ý tưởng chính: Nhận dạng và dùng cơng thức lượng giác phù hợp để biểu
diễn các số hạng của dãy số. Chú ý các số hạng đầu là các giác trị lượng giác đặc biệt
nào?
Tính nlim
2. Các ví dụ:
Bài 1: Cho dãy số u1
u
1
và un1 2un2 1 . Tìm giới hạn dãy số n ?
2
n
1
cos
2
3
2n
cos
3
HD: Ta có: u1
Ta có un1
Suy ra lim
un
0
n
x1 1
1 xn2 1 .Tìm giới hạn dãy số?
Bài 2: Cho dãy số
x n 1
xn
HD: Chứng minh: xn tan
Bài 3: Cho dãy số x1
. Vậy
2 n 1
lim xn 0.
n
1
1
1
và xn1 xn xn2 n
2
2
4
HD: Chứng minh: xn
Tìm giới hạn dãy số?
1
1
cot
n
n 1 . Vậy lim xn .
n
2
2
2
Bài 4: Cho dãy số u1 2 và un1
un4
u
. Tìm giới hạn dãy số n ?
4
2
n
un 8un 8
Nguyễn Minh Tuấn - GV trường THPT Chuyên QB
Giới hạn của dãy số
HD: Ta có:
1
8 8
1 2 4 an 1 1 8an2 8an4 2(2an2 1)2 1
un1
un un
Mặt khác: a1
Suy ra lim
1
4n
cos . Ta có un1 cos
2
3
3
un
0
n
Bài 5: Cho dãy số un
2 2 2... 2
. Tìm giới hạn dãy số un ?
2 2 2... 2
HD: Chứng minh: xn tan
. Vậy
2 n 1
lim xn 0.
n
3. Bài tập tự giải:
2 2 1 un2
1
Bài 1: Cho dãy số u1 và un1
. Tìm giới hạn dãy số 2n un ?
2
2
u
3 un
Bài 2: Cho dãy số u1 3 và un1
. Tìm giới hạn dãy số n ?
n
1 3un
u v
Bài 3: Cho 2 dãy số u1 a 0 và un1 n n , v1 b 0; b a và vn1 un 1vn . Tìm giới
2
hạn hai dãy số?
VI) Phương pháp sử các tính chất của hàm sơ (dãy số cho bởi phương trình)
1. Kiến thức sử dụng:
- Tính chất của hàm số: tính liên tục và các định lí liên quan: định lí về giá trị
trung gian, chứng minh phương trình có nghiệm duy nhất; đạo hàm, ứng dụng của
đạo hàm và định lí Lagrange, ...
- Ý tưởng chính: Sử dụng các tính chất của hàm số để xác định số hạng dãy số
cho bởi phương trình.
2. Các ví dụ:
Bài 1: Cho xn là nghiệm của phương trình: x n
x n1 x n 2
x
1
2 ... n1 n
2
2
2
2
Chứng minh rằng phương trình có duy nhất một nghiệm dương. Tính lim xn ?
HD: Phương trình tương đương f n ( x ) 2n x n 2n1 x n1 ... 2 x 1 0
1
1
Ta có: f n (0) 0 và f n ( ) 0 nên xn 0; . Dãy số xn giảm, suy ra tồn tại giới hạn
2
2
n
2 xn (1 (2 xn ) )
1
lim xn a . Ta có:
1 a
1 2 xn
4
Bài 2: Ký hiệu xn là nghiệm của phương trình
thuộc khoảng (0, 1)
a) Chứng minh dãy {xn} có giới hạn.
Nguyễn Minh Tuấn - GV trường THPT Chuyên QB
1
1
1
...
0
x x 1
xn
Giới hạn của dãy số
b) Hãy tìm giới hạn đó.
1
x
HD: xn được xác định duy nhất vì hàm số f n ( x )
điệu trên (0, 1). Ta có: f n 1 ( x) f n ( x )
1
1
...
liên tục và đơn
x 1
xn
1
f n 1 ( x ) 0 có nghiệm xn1 (0; xn ) . Do
x n 1
đó dãy số giảm. Giả sử lim xn a . Ta có:
0=
1
1
1
1
1
1
1
1 1
...
...
0
xn xn 1
xn n xn 1 2
n a a
Vậy ta phải có lim xn = 0.
Bài 3: (VMO 2007) Cho số thực a > 2 và fn(x) = a10xn+10 + xn + …+x + 1.
a) Chứng minh rằng với mỗi số nguyên dương n, phương trình fn(x) = a ln có
đúng một nghiệm dương duy nhất.
b) Gọi nghiệm đó là xn, chứng minh rằng dãy {xn} có giới hạn hữu hạn khi n dần
đến vô cùng.
HD: a) Hàm số fn(x) tăng trên (0, +) và f (0) 0 và f (1) 0 nên 0 < xn < 1.
Chứng minh dãy xn tăng, tức là xn+1 > xn.
Xét fn+1(xn) = a10xnn+11 + xnn+1 + xnn + … + x + 1 = xnfn(xn) + 1 = axn + 1
Suy ra f (1) a và f ( xn ) a , do đó xn < xn+1 < 1. Đặt c = (a-1)/a < 1
fn(c) – fn(xn) = kcn (với k = (a-1)((a-1)9 – 1) > 0)
Theo định lý Lagrange thì
fn(c) – fn(xn) = f’()(c – xn) với thuộc (xn, c)
Nhưng f’() = (n+10)a10n+9 + nn-1 + …+ 1 > 1 nên từ đây suy ra kcn > c - xn
Từ đó ta có c – kcn < xn < c
Vậy lim xn = c.
3. Bài tập tự giải:
Bài 1: (VMO 2002) Cho n là một số nguyên dương. Chứng minh rằng phương trình
1
1
1
1
... 2
có một nghiệm duy nhất xn > 1. Chứng minh rằng khi n
x 1 4x 1
n x 1 2
dần đến vô cùng, xn dần đến 4.
Bài 2: Cho n là một số nguyên dương > 1. Chứng minh rằng phương trình xn = x2 +
x + 1 có một nghiệm dương duy nhất, ký hiệu là xn. Hãy tìm số thực a sao cho giới
n a ( x n xn 1 ) tồn tại, hữu hạn và khác 0.
hạn lim
n
Nguyễn Minh Tuấn - GV trường THPT Chuyên QB