Рассмотрите последовательность a_n = (sqrt(n+1) - sqrt(n))^n при n -> +infty; обсудите, какой подход (логарифмы, асимптотика через рационализацию, сравнение с экспонентой) даст наиболее точное представление предела и почему
Кратко: предел равен 0. Наиболее точное представление даёт комбинация рационализации и логарифмирования с асимптотическим разложением (т. е. рационализация → логарифм → разложение ln), потому что рационализация даёт точную малую величину основания, а логарифм переводит степень в множитель, что позволяет получить сколь угодно точную асимптику. Доказательство и асимптика (сжато): 1) Рационализация: n+1−n=1n+1+n,an=(1n+1+n)n.
\sqrt{n+1}-\sqrt{n}=\frac{1}{\sqrt{n+1}+\sqrt{n}}, \qquad a_n=\Big(\frac{1}{\sqrt{n+1}+\sqrt{n}}\Big)^n. n+1−n=n+1+n1,an=(n+1+n1)n. 2) Логарифм и разложение: lnan=−nln(n+1+n).
\ln a_n=-n\ln\big(\sqrt{n+1}+\sqrt{n}\big). lnan=−nln(n+1+n).
Поскольку n+1+n=2n(1+14n+O(n−2))\sqrt{n+1}+\sqrt{n}=2\sqrt{n}\big(1+\tfrac{1}{4n}+O(n^{-2})\big)n+1+n=2n(1+4n1+O(n−2)), получаем ln(n+1+n)=ln2+12lnn+14n+o(1/n).
\ln\big(\sqrt{n+1}+\sqrt{n}\big)=\ln2+\tfrac12\ln n+\tfrac{1}{4n}+o(1/n). ln(n+1+n)=ln2+21lnn+4n1+o(1/n).
Умножая на −n-n−n, lnan=−nln2−n2lnn−14+o(1).
\ln a_n=-n\ln2-\tfrac{n}{2}\ln n-\tfrac{1}{4}+o(1). lnan=−nln2−2nlnn−41+o(1). 3) Следствие: an=exp (−nln2−n2lnn−14+o(1)),
a_n=\exp\!\big(-n\ln2-\tfrac{n}{2}\ln n-\tfrac{1}{4}+o(1)\big), an=exp(−nln2−2nlnn−41+o(1)),
откуда в частности an→0a_n\to0an→0 при n→∞n\to\inftyn→∞, и более точно an∼e−1/4 2−n n−n/2.
a_n\sim e^{-1/4}\,2^{-n}\,n^{-n/2}. an∼e−1/42−nn−n/2. Комментарий по методам: простое сравнение с экспонентой или грубая оценка основания дают только факт стремления к нулю; для получения точного экспоненциального и множитель‑постоянного члена нужно рационализовать и логарифмировать с асимптотическим разложением.
Доказательство и асимптика (сжато):
1) Рационализация:
n+1−n=1n+1+n,an=(1n+1+n)n. \sqrt{n+1}-\sqrt{n}=\frac{1}{\sqrt{n+1}+\sqrt{n}},
\qquad a_n=\Big(\frac{1}{\sqrt{n+1}+\sqrt{n}}\Big)^n.
n+1 −n =n+1 +n 1 ,an =(n+1 +n 1 )n.
2) Логарифм и разложение:
lnan=−nln(n+1+n). \ln a_n=-n\ln\big(\sqrt{n+1}+\sqrt{n}\big).
lnan =−nln(n+1 +n ). Поскольку n+1+n=2n(1+14n+O(n−2))\sqrt{n+1}+\sqrt{n}=2\sqrt{n}\big(1+\tfrac{1}{4n}+O(n^{-2})\big)n+1 +n =2n (1+4n1 +O(n−2)), получаем
ln(n+1+n)=ln2+12lnn+14n+o(1/n). \ln\big(\sqrt{n+1}+\sqrt{n}\big)=\ln2+\tfrac12\ln n+\tfrac{1}{4n}+o(1/n).
ln(n+1 +n )=ln2+21 lnn+4n1 +o(1/n). Умножая на −n-n−n,
lnan=−nln2−n2lnn−14+o(1). \ln a_n=-n\ln2-\tfrac{n}{2}\ln n-\tfrac{1}{4}+o(1).
lnan =−nln2−2n lnn−41 +o(1).
3) Следствие:
an=exp (−nln2−n2lnn−14+o(1)), a_n=\exp\!\big(-n\ln2-\tfrac{n}{2}\ln n-\tfrac{1}{4}+o(1)\big),
an =exp(−nln2−2n lnn−41 +o(1)), откуда в частности an→0a_n\to0an →0 при n→∞n\to\inftyn→∞, и более точно
an∼e−1/4 2−n n−n/2. a_n\sim e^{-1/4}\,2^{-n}\,n^{-n/2}.
an ∼e−1/42−nn−n/2.
Комментарий по методам: простое сравнение с экспонентой или грубая оценка основания дают только факт стремления к нулю; для получения точного экспоненциального и множитель‑постоянного члена нужно рационализовать и логарифмировать с асимптотическим разложением.