Вычислите предел последовательности a_n = n*(sqrt(n+1) - sqrt(n)) двумя способами и обсудите, почему один из способов даёт более удобную оценку погрешности
Ответ: предел an=n(n+1−n)a_n=n(\sqrt{n+1}-\sqrt{n})an=n(n+1−n) равен +∞+\infty+∞. 1) Алгебраический приём (сопряжённое): an=n(n+1−n)=nn+1+n=n1+1/n+1.
a_n=n(\sqrt{n+1}-\sqrt{n})=\frac{n}{\sqrt{n+1}+\sqrt{n}} =\frac{\sqrt{n}}{\sqrt{1+1/n}+1}. an=n(n+1−n)=n+1+nn=1+1/n+1n.
Отсюда очевидно an→+∞a_n\to+\inftyan→+∞ (так как числитель n→∞\sqrt{n}\to\inftyn→∞, а знаменатель →2\to2→2). Более точно: an−n2=n(11+1/n+1−12)=−12n (1+1/n+1)2.
a_n-\frac{\sqrt{n}}{2} =\sqrt{n}\Big(\frac{1}{\sqrt{1+1/n}+1}-\frac12\Big) =-\frac{1}{2\sqrt{n}\,(\sqrt{1+1/n}+1)^2}. an−2n=n(1+1/n+11−21)=−2n(1+1/n+1)21.
Следовательно модуль погрешности удовлетворяет оценке ∣an−n2∣≤18n(поскольку (1+1/n+1)2≥4),
\left|a_n-\frac{\sqrt{n}}{2}\right|\le\frac{1}{8\sqrt{n}} \quad(\text{поскольку }(\sqrt{1+1/n}+1)^2\ge4), an−2n≤8n1(поскольку(1+1/n+1)2≥4),
и асимптотика an=n2−18n+o (1n).
a_n=\frac{\sqrt{n}}{2}-\frac{1}{8\sqrt{n}}+o\!\left(\frac{1}{\sqrt{n}}\right). an=2n−8n1+o(n1). 2) Метод средней точки (теорема о среднем значении): по ТФКП существует cn∈(n,n+1)c_n\in(n,n+1)cn∈(n,n+1) такой, что n+1−n=12cn,
\sqrt{n+1}-\sqrt{n}=\frac{1}{2\sqrt{c_n}}, n+1−n=2cn1,
откуда an=n2cn,n2n+1<an<n2n.
a_n=\frac{n}{2\sqrt{c_n}},\qquad \frac{n}{2\sqrt{n+1}}<a_n<\frac{n}{2\sqrt{n}}. an=2cnn,2n+1n<an<2nn.
Эти неравенства также показывают an→+∞a_n\to+\inftyan→+∞ и дают асимптотическое поведение an∼n2a_n\sim\frac{\sqrt{n}}{2}an∼2n, но не дают сразу точной постоянной в погрешности без дополнительного анализа положения cnc_ncn. Почему первый способ удобнее для оценки погрешности: алгебраическая редукция даёт явную точную формулу для ana_nan и разницу с главным членом n2\frac{\sqrt{n}}{2}2n, что позволяет получить конкретную числовую оценку погрешности (≤1/(8n)\le 1/(8\sqrt{n})≤1/(8n)). Метод через среднее значение даёт только существование cnc_ncn и менее явную оценку константы погрешности.
1) Алгебраический приём (сопряжённое):
an=n(n+1−n)=nn+1+n=n1+1/n+1. a_n=n(\sqrt{n+1}-\sqrt{n})=\frac{n}{\sqrt{n+1}+\sqrt{n}}
=\frac{\sqrt{n}}{\sqrt{1+1/n}+1}.
an =n(n+1 −n )=n+1 +n n =1+1/n +1n . Отсюда очевидно an→+∞a_n\to+\inftyan →+∞ (так как числитель n→∞\sqrt{n}\to\inftyn →∞, а знаменатель →2\to2→2). Более точно:
an−n2=n(11+1/n+1−12)=−12n (1+1/n+1)2. a_n-\frac{\sqrt{n}}{2}
=\sqrt{n}\Big(\frac{1}{\sqrt{1+1/n}+1}-\frac12\Big)
=-\frac{1}{2\sqrt{n}\,(\sqrt{1+1/n}+1)^2}.
an −2n =n (1+1/n +11 −21 )=−2n (1+1/n +1)21 . Следовательно модуль погрешности удовлетворяет оценке
∣an−n2∣≤18n(поскольку (1+1/n+1)2≥4), \left|a_n-\frac{\sqrt{n}}{2}\right|\le\frac{1}{8\sqrt{n}}
\quad(\text{поскольку }(\sqrt{1+1/n}+1)^2\ge4),
an −2n ≤8n 1 (поскольку (1+1/n +1)2≥4), и асимптотика
an=n2−18n+o (1n). a_n=\frac{\sqrt{n}}{2}-\frac{1}{8\sqrt{n}}+o\!\left(\frac{1}{\sqrt{n}}\right).
an =2n −8n 1 +o(n 1 ).
2) Метод средней точки (теорема о среднем значении):
по ТФКП существует cn∈(n,n+1)c_n\in(n,n+1)cn ∈(n,n+1) такой, что
n+1−n=12cn, \sqrt{n+1}-\sqrt{n}=\frac{1}{2\sqrt{c_n}},
n+1 −n =2cn 1 , откуда
an=n2cn,n2n+1<an<n2n. a_n=\frac{n}{2\sqrt{c_n}},\qquad \frac{n}{2\sqrt{n+1}}<a_n<\frac{n}{2\sqrt{n}}.
an =2cn n ,2n+1 n <an <2n n . Эти неравенства также показывают an→+∞a_n\to+\inftyan →+∞ и дают асимптотическое поведение an∼n2a_n\sim\frac{\sqrt{n}}{2}an ∼2n , но не дают сразу точной постоянной в погрешности без дополнительного анализа положения cnc_ncn .
Почему первый способ удобнее для оценки погрешности:
алгебраическая редукция даёт явную точную формулу для ana_nan и разницу с главным членом n2\frac{\sqrt{n}}{2}2n , что позволяет получить конкретную числовую оценку погрешности (≤1/(8n)\le 1/(8\sqrt{n})≤1/(8n )). Метод через среднее значение даёт только существование cnc_ncn и менее явную оценку константы погрешности.