记录一道考研数学-关于三角函数的极限
题目:$lim_{n\rightarrow \infty}n\pi sin(n\pi)=?$
因为是填空题,所以一眼能看出来得 $0$
为什么是零呢?因为感觉不是正数也不是负数(对偶性),所以只能是 $0$
学长的讲解:
当 $n \to \infty$ 时,可以把问题理解为一个数列的极限,也就是趋于正无穷的实数。但是,直接看 $n \pi \sin(n \pi)$ 的极限是行不通的,因为这个表达式相当于 $0 \times \infty$ 的形式。在这种情况下,你可能想把 $0$ 单独拿出来处理,但根据乘法运算的规则,只有当两个乘数都存在时,才能进行这样的操作。
所以我们先不要直接看极限,而是先看表达式 $n \pi \sin(n \pi)$ 本身。在 $n$ 为实数的情况下,$\sin(n \pi)$ 总是 $0$,因此这个表达式无论 $n$ 是多少,都是 $0$。即使把极限带入,结果也是 $0$。尽管你可能会觉得这种形式是“无穷小乘无穷大”,不一定是 $0$,但实际上这是 $0$ 乘以任何数,结果必然是 $0$。
无穷小和 $0$ 是不同的,$0$ 是无穷小的一种特殊情况。虽然无穷小乘无穷大的结果并不总是 $0$,但在这里,表达式的极限确实是 $0$。
但是我的问题在于,随着 $n$ 的增大(只考虑趋向于正无穷大),函数值高速震荡,感觉不像是有界的
之后发现它确实是有界的,因为:
1 | 在判别函数的有界性时,我们需要先知道以下两个重要结论,即: 如果f(x)在闭区间[a,b]上连续,那么f(x)在闭区间[a,b]上有界。 如果f(x)在开区间(a,b)上连续且函数的极限存在于其端点处,则f(x)在开区间(a,b)上有界。 |
这个函数包连续的,所以理所当然的有界
既然都有界了,那么极限存在
后记:
结合网上的说法和gpt4o给出的答案,$\lim_{n \to \infty} n \pi \sin(n \pi)$ 不存在
当且仅当 $n\in N^*$ 时,$\lim_{n \to \infty} n \pi \sin(n \pi)=0$
如果 $n$ 是非整数实数,$\sin(n \pi)$ 会在 $[-1, 1]$ 之间振荡。而由于 $n \pi$ 趋向无穷大,乘积 $n \pi \sin(n \pi)$ 是一个无穷大乘以振荡的值,无法直接确定这个极限。
因此,严格来说,$\lim_{n \to \infty} n \pi \sin(n \pi)$ 是发散的,并不存在一个简单的极限值。如果我们只考虑 $n$ 为整数的情况,则结果为 $0$,否则该极限无法求出。
$\lim_{n \to \infty} n \pi \sin(n \pi)$ 存在,当且仅当 $\lim_{x \to \infty} \sin(x)$ 存在;众所周知的,$f(x)=\sin(x)$ 既不收敛也不发散(在讨论整个序列时,极限存在与收敛实际上是等价的),故极限不存在