A-Level等比级数:公比为负数,部分和来回变化为什么仍可能收敛?

看到数列的正负号不断交替,有些同学会直接判断它没有极限。A-Level数学学习中,需要分开观察每一项、部分和以及误差的大小。下面是原创演算;具体课程范围应结合考试局、科目代码和考试年份核对。

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先写四项,而不是立即套无穷和公式

考虑首项为1、公比r=-1/2的等比数列:1、-1/2、1/4、-1/8。前四项和为1-1/2+1/4-1/8=5/8。每一项的符号交替,绝对值却每次减半。

前一至四项的和分别为1、1/2、3/4、5/8。它们没有一直增加或一直减少,但这不等于不能接近同一个数。判断收敛不能只检查部分和是否单调。

保留公比的符号,写出有限项和

前n项和S_n=[1-(-1/2)^n]/[1-(-1/2)]=(2/3)[1-(-1/2)^n]。分母是3/2,不是1/2;忽略负号会在第一步就改变结果。

当n增大时,(-1/2)^n的绝对值趋于零,因此S_n趋于2/3。用n=4代回有限项公式,得到(2/3)(1-1/16)=5/8,与直接相加一致。有限项核对能帮助发现公式中的括号错误。

来回靠近,与误差越来越小可以同时成立

S_n与2/3的差为-(2/3)(-1/2)^n,误差绝对值是(2/3)(1/2)^n。奇数项部分和在极限上方,偶数项部分和在下方;两边的距离都逐次减半。

前四项和与无穷和相差2/3-5/8=1/24。这里的误差有明确数值,不能因为“已经加了四项”就自行断定足够准确;是否足够要看题目要求的精度。

为什么同样有负号,公比为负一却不同

若公比改成-1,部分和会在1与0之间切换,距离没有缩小,也就没有同一个极限。等比无穷和公式要求|r|小于1;仅知道r小于1并不够,因为-2也小于1,却不满足绝对值条件。

复习时把“确认等比、写有限项和、核对收敛条件、计算极限”分成四步。向学习顾问说明自己卡在负号、有限和还是条件判断,能让后续练习更有针对性,也避免把背熟公式误当成已经理解适用范围。

延伸阅读:A-Level二项式展开:求x²的系数,为什么不必把整式全部展开。

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