Рассмотрите последовательность a_n = n sin(1/n). Исследуйте предел при n → ∞ и предложите разные подходы (разложение, теорема о предельном переходе) с обоснованием
Краткий ответ: limn→∞an=1\displaystyle\lim_{n\to\infty}a_n=1n→∞liman=1, где an=nsin(1/n)a_n=n\sin(1/n)an=nsin(1/n). Несколько обоснований. 1) Стандартный предел sinx∼x\sin x\sim xsinx∼x при x→0x\to0x→0. Пусть xn=1/n→0x_n=1/n\to0xn=1/n→0. Тогда an=sinxnxn→1,
a_n=\frac{\sin x_n}{x_n}\to1, an=xnsinxn→1,
поскольку limx→0sinxx=1\displaystyle\lim_{x\to0}\frac{\sin x}{x}=1x→0limxsinx=1. 2) Теорема о непрерывности (переход предела через функциональную зависимость). Рассмотрим функцию f(x)=sinxxf(x)=\frac{\sin x}{x}f(x)=xsinx для x≠0x\neq0x=0 и положим f(0)=1f(0)=1f(0)=1. Функция fff непрерывна при x=0x=0x=0, поэтому при xn=1/n→0x_n=1/n\to0xn=1/n→0 имеем f(xn)→f(0)=1f(x_n)\to f(0)=1f(xn)→f(0)=1. Это ровно an→1a_n\to1an→1. 3) Теорема Лопиталя (для функции). Рассмотрим предел limx→0sinxx\lim_{x\to0}\frac{\sin x}{x}limx→0xsinx. Это форма 00\frac{0}{0}00; по Лопиталю limx→0sinxx=limx→0cosx1=1,
\lim_{x\to0}\frac{\sin x}{x}=\lim_{x\to0}\frac{\cos x}{1}=1, x→0limxsinx=x→0lim1cosx=1,
откуда следует результат для последовательности. 4) Сжатие (неравенство). Для 0<x<π/20<x<\pi/20<x<π/2 справедливо cosx≤sinxx≤1.
\cos x\le\frac{\sin x}{x}\le1. cosx≤xsinx≤1.
Применяя при x=1/nx=1/nx=1/n и устремляя n→∞n\to\inftyn→∞ (где cos(1/n)→1\cos(1/n)\to1cos(1/n)→1), получаем sin(1/n)1/n→1\frac{\sin(1/n)}{1/n}\to11/nsin(1/n)→1. 5) Рядовое (Тейлор) разложение для более точной оценки: siny=y−y36+o(y3)(y→0).
\sin y=y-\frac{y^3}{6}+o(y^3)\quad(y\to0). siny=y−6y3+o(y3)(y→0).
При y=1/ny=1/ny=1/n даёт an=nsin1n=1−16n2+o (1n2)→1.
a_n=n\sin\frac{1}{n}=1-\frac{1}{6n^2}+o\!\left(\frac{1}{n^2}\right)\to1. an=nsinn1=1−6n21+o(n21)→1. Вывод: во всех подходах limn→∞nsin1n=1\displaystyle\lim_{n\to\infty}n\sin\frac{1}{n}=1n→∞limnsinn1=1.
Несколько обоснований.
1) Стандартный предел sinx∼x\sin x\sim xsinx∼x при x→0x\to0x→0. Пусть xn=1/n→0x_n=1/n\to0xn =1/n→0. Тогда
an=sinxnxn→1, a_n=\frac{\sin x_n}{x_n}\to1,
an =xn sinxn →1, поскольку limx→0sinxx=1\displaystyle\lim_{x\to0}\frac{\sin x}{x}=1x→0lim xsinx =1.
2) Теорема о непрерывности (переход предела через функциональную зависимость). Рассмотрим функцию f(x)=sinxxf(x)=\frac{\sin x}{x}f(x)=xsinx для x≠0x\neq0x=0 и положим f(0)=1f(0)=1f(0)=1. Функция fff непрерывна при x=0x=0x=0, поэтому при xn=1/n→0x_n=1/n\to0xn =1/n→0 имеем f(xn)→f(0)=1f(x_n)\to f(0)=1f(xn )→f(0)=1. Это ровно an→1a_n\to1an →1.
3) Теорема Лопиталя (для функции). Рассмотрим предел limx→0sinxx\lim_{x\to0}\frac{\sin x}{x}limx→0 xsinx . Это форма 00\frac{0}{0}00 ; по Лопиталю
limx→0sinxx=limx→0cosx1=1, \lim_{x\to0}\frac{\sin x}{x}=\lim_{x\to0}\frac{\cos x}{1}=1,
x→0lim xsinx =x→0lim 1cosx =1, откуда следует результат для последовательности.
4) Сжатие (неравенство). Для 0<x<π/20<x<\pi/20<x<π/2 справедливо
cosx≤sinxx≤1. \cos x\le\frac{\sin x}{x}\le1.
cosx≤xsinx ≤1. Применяя при x=1/nx=1/nx=1/n и устремляя n→∞n\to\inftyn→∞ (где cos(1/n)→1\cos(1/n)\to1cos(1/n)→1), получаем sin(1/n)1/n→1\frac{\sin(1/n)}{1/n}\to11/nsin(1/n) →1.
5) Рядовое (Тейлор) разложение для более точной оценки:
siny=y−y36+o(y3)(y→0). \sin y=y-\frac{y^3}{6}+o(y^3)\quad(y\to0).
siny=y−6y3 +o(y3)(y→0). При y=1/ny=1/ny=1/n даёт
an=nsin1n=1−16n2+o (1n2)→1. a_n=n\sin\frac{1}{n}=1-\frac{1}{6n^2}+o\!\left(\frac{1}{n^2}\right)\to1.
an =nsinn1 =1−6n21 +o(n21 )→1.
Вывод: во всех подходах limn→∞nsin1n=1\displaystyle\lim_{n\to\infty}n\sin\frac{1}{n}=1n→∞lim nsinn1 =1.