Bài 15: Giới Hạn Của Dãy Số | Toán tập 1 | Chương V: Giới Hạn Hàm Số Liên Tục - Lớp 11 - Kết Nối Tri Thức Với Cuộc Sống

Trang 104

Chương này trình bày khái niệm giới hạn của dãy số, của hàm số và một số định lí, quy tắc tìm giới hạn. Chúng là cơ sở cho việc nghiên cứu các nội dung khác của Giải tích và cho phép giải quyết nhiều bài toán của khoa học và thực tiễn. Khái niệm hàm số liên tục và một vài tính chất đơn giản của chúng được trình bày ở phần cuối chương.

Nghịch lí Zeno. Achilles (A-sin, một nhân vật trong thần thoại Hy Lạp, được mô tả là có thể chạy nhanh như gió) đuổi theo một con rùa trên một đường thẳng. Vị trí xuất phát của Achilles là

Hình 5.1

Thật vậy, trước tiên Achilles phải đến được vị trí và trong khoảng thời gian này, rùa đã di chuyển đến vị trí . Sau đó, Achilles phải đến được vị trí , lúc này rùa đã di chuyển đến vị trí

Zeno (490 – 429 trước Công nguyên) là một triết gia Hy Lạp, đến từ thành phố Elea (miền nam nước Ý ngày nay). Trong số các nghịch lí của Zeno, nghịch lí Achilles đuổi rùa được coi là đã thúc đẩy sự hình thành khái niệm giới hạn, một công cụ thiết yếu của toán học, được sử dụng để nghiên cứu các quá trình liên quan đến sự vô hạn.

Trang 105

1. GIỚI HẠN HỮU HẠN CỦA DÃY SỐ

HĐ1. Nhận biết dãy số có giới hạn là 0

Cho dãy số () với .

a) Biểu diễn năm số hạng đầu của dãy số này trên trục số.

b) Bắt đầu từ số hạng nào của dãy, khoảng cách từ đến 0 nhỏ hơn 0,01

Ta nói dãy số () có giới hạn là 0 khi n dần tới dương vô cực, nếu | | có thể nhỏ hơn một số dương bé tuỳ ý, kể từ một số hạng nào đó trở đi, kí hiệu   hay → 0 khi n → +∞.

Ví dụ 1. Xét dãy số . Giải thích vì sao dãy số này có giới hạn là 0.

Giải

Dãy số này có giới hạn là 0, bởi vì có thể nhỏ hơn một số dương bé tuỳ ý khi n đủ lớn. Chẳng hạn, để |

Chú ý. Từ định nghĩa dãy số có giới hạn 0, ta có các kết quả sau:

•   với k là một số nguyên dương;

• nếu |q| < 1;

• Nếu |

Luyện tập 1. Chứng minh rằng .

HĐ2. Nhận biết dãy số có giới hạn hữu hạn

Cho dãy số (

Tính

Ta nói dãy số () có giới hạn là số thực a khi n dần tới dương vô cực nếu ,  kí hiệu hay → a khi n→ +∞.

Trang 106

Ví dụ 2. Xét dãy số (

Giải

Ta có khi n → +∞. 

Do vậy .

Chú ý. Nếu

khi và chỉ khi .

Luyện tập 2. Cho dãy số (

Vận dụng 1. Một quả bóng cao su được thả từ độ cao 5 m xuống một mặt sàn. Sau mỗi lần chạm sàn, quả bóng nảy lên độ cao bằng độ cao trước đó. Giả sử rằng quả bóng luôn chuyển động vuông góc với mặt sàn và quá trình này tiếp diễn vô hạn lần. Giả sử là độ cao (tính bằng mét) của quả bóng sau lần nảy lên thứ 1. Chứng minh rằng dãy số (

2. ĐỊNH LÍ VỀ GIỚI HẠN HỮU HẠN CỦA DÃY SỐ

HĐ3. Hình thành quy tắc tính giới hạn

Cho hai dãy số () và () với , .

Tính và so sánh:

Tổng quát, ta có các quy tắc tính giới hạn sau đây:

a) Nếu và lim  thì ; ; ; nếu b # 0. b) Nếu ≥ 20 với mọi n và thì a ≥ 0 và .

Ví dụ 3. Tìm .

Giải

Áp dụng các quy tắc tính giới hạn, ta được

.

Để tính giới hạn của dãy số dạng phân thức, ta chia cả tử thức và mẫu thức cho luỹ thừa cao nhất của n, rồi áp dụng các quy tắc tính giới hạn.

Trang 107

Luyện tập 3. Tìm

3. TỔNG CỦA CẤP SỐ NHÂN LÙI VÔ HẠN

HĐ4. Làm quen với việc tính tổng vô hạn

Cho hình vuông cạnh 1 (đơn vị độ dài). Chia hình vuông đó thành bốn hình vuông nhỏ bằng nhau, sau đó tô màu hình vuông nhỏ góc dưới bên trái (H.5.2). Lặp lại các thao tác này với hình vuông nhỏ góc trên bên phải. Giả sử quá trình trên tiếp diễn vô hạn lần. Gọi , ,..., ,.... lần lượt là độ dài cạnh của các hình vuông được tô màu.

Hình 5.2

a) Tính tổng

b) Tìm .

Cấp số nhân vô hạn () có công bội q với |q| < 1 được gọi là cấp số nhân lùi vô hạn. Cho cấp số nhân lùi vô hạn () với công bội q. Khi đó

.

Vì |q| < 1 nên

.

Giới hạn này được gọi là tổng của cấp số nhân lùi vô hạn (), và kí hiệu là

Như vậy

.

Ví dụ 4. Tính tổng

Giải

Đây là tổng của cấp số nhân lùi vô hạn với  và .

Do đó .

Trang 108

Ví dụ 5. Biểu diễn số thập phân vô hạn tuần hoàn 2,222.... dưới dạng phân số.

Giải

Ta có 2,222... = 2 + 0,2 + 0,02 + 0,002 + ... = 2 + 2

Đây là tổng của cấp số nhân lùi vô hạn với

.

Luyện tập 4. Tính tổng

Vận dụng 2. (Giải thích nghịch lí Zeno)

Để đơn giản, ta giả sử Achilles chạy với vận tốc 100 km/h, vận tốc của rùa là 1 km/h và khoảng cách ban đầu a = 100 (km).

a) Tính thời gian ,

b) Tinh tổng thời gian cần thiết để Achilles chạy hết các quãng đường A,A,, A.A... A, Ana ..., tức là thời gian cần thiết để Achilles đuổi kịp rùa.

c) Sai lầm trong lập luận của Zeno là ở đâu?

4. GIỚI HẠN VÔ CỰC CỦA DÃY SỐ

HĐ5. Nhận biết giới hạn vô cực

Một loại vi khuẩn được nuôi cấy với số lượng ban đầu là 50. Sau mỗi chu kì 4 giờ, số lượng của chúng sẽ tăng gấp đôi.

a) Dự đoán công thức tính số vi khuẩn sau chu kì thứ n.

b) Sau bao lâu, số lượng vi khuẩn sẽ vượt con số 10 000?

• Dãy số () được gọi là có giới hạn +∞ khi n → +∞ nếu có thể lớn hơn một số dương bất kì, kể từ một số hạng nào đó trở đi, kí hiệu hay → +∞ khi n → +∞. • Dãy số () được gọi là có giới hạn -∞ khi n → +∞ nếu , kí hiệu hay → -∞ khi n → +∞.

Theo định nghĩa trên, ta có:

• , với k là số nguyên dương;

• với q>1.

Trang 109

Liên quan đến giới hạn vô cực của dãy số, ta có một số quy tắc sau đây.

• Nếu và (hoặc ) thì . • Nếu , và >0 với mọi n thì . • Nếu và thì .

Ví dụ 6. Tính 

Giải

Ta có . Hơn nữa và .

Do đó .

Luyện tập 5. Tính

BÀI TẬP

5.1. Tìm các giới hạn sau:

a) ;

b)

5.2. Cho hai dãy số không âm () và (v_n) với và

a) ;

b) .

5.3. Tìm giới hạn của các dãy số cho bởi:

a)

b) .

5.4. Viết các số thập phân vô hạn tuần hoàn sau đây dưới dạng phân số:

a) 1,(12) = 1,121212...;

b) 3,(102) = 3,102102102...

5.5. Một bệnh nhân hàng ngày phải uống một viên thuốc 150 mg. Sau ngày đầu, trước mỗi lần uống, hàm lượng thuốc cũ trong cơ thể vẫn còn 5%. Tính lượng thuốc có trong cơ thể sau khi uống viên thuốc của ngày thứ 5. Ước tính lượng thuốc trong cơ thể nếu bệnh nhân sử dụng thuốc trong một thời gian dài.

5.6. Cho tam giác vuông ABC vuông tại A, có AB = h và góc B bằng α (H.5.3). Từ A kẻ

Hình 53

Trang 110

Em có biết?

Dãy số Fibonacci và tỉ lệ vàng

Ta đã biết dãy Fibonacci cho bởi hệ thức truy hồi:

, với n >2.

Chia hai vế cho và đặt , ta có công thức

Dãy () có giới hạn là một số dương r thoả mãn phương trình r = 1+ hay tương đương − r − 1 = 0. Giải phương trình này ta được

Đây chính là tỉ lệ vàng (golden ratio) được sử dụng trong kiến trúc, hội hoạ, tôn giáo, ... Dãy Fibonacci và tỉ lệ vàng cũng xuất hiện nhiều trong thế giới tự nhiên.

Dãy số logistic

Trong sinh thái học, người ta sử dụng dãy ()cho bởi công thức truy hồi để mô phỏng hệ sinh thái của một loài (động vật hoặc thực vật), trong đó là tỉ lệ giữa số lượng cá thể theo thời gian và sức chứa của môi trường, k là hệ số phụ thuộc đặc điểm của loài và điều kiện môi trường. Dãy số này được gọi là dãy logistic, do nhà sinh học Robert May đưa ra năm 1976. Tuỳ thuộc hệ số k và giá trị ban đầu P. ta có thể dự đoán sự thay đổi của hệ trong tương lai. Đặc biệt, trong trường hợp dãy () có giới hạn là một số dương, ta nói hệ sinh thái của loài là ổn định.

(Theo Stewart, Calculus, Nhà xuất bản Cengage Learning)