Bài học Toán THPT - Dãy Số

📘 BÀI HỌC TOÁN 11: DÃY SỐ

👉Nhấn vào đây để xem Video

Chương II: Dãy số. Cấp số cộng và cấp số nhân - Bài 5 (Bộ sách Kết nối tri thức với cuộc sống)

1. Khái niệm dãy số

📌 Định nghĩa dãy số vô hạn:

Mỗi hàm số \(u\) xác định trên tập hợp các số nguyên dương \(\mathbb{N}^*\) được gọi là một dãy số vô hạn (gọi tắt là dãy số).

• Kí hiệu: \((u_n)\) hoặc \(u_1, u_2, u_3, \dots, u_n, \dots\)

• Số \(u_1 = u(1)\) gọi là số hạng đầu.

• Số \(u_n = u(n)\) gọi là số hạng tổng quát (số hạng thứ \(n\)).

📌 Định nghĩa dãy số hữu hạn:

Mỗi hàm số \(u\) xác định trên tập hợp \(m\) số nguyên dương đầu tiên \(M = \{1, 2, 3, \dots, m\}\) (\(m \in \mathbb{N}^*\)) được gọi là một dãy số hữu hạn.

• Dạng khai triển: \(u_1, u_2, u_3, \dots, u_m\).

• \(u_1\) là số hạng đầu, \(u_m\) là số hạng cuối.

💡 Ví dụ mở đầu: Dãy các số lẻ dương sắp xếp theo thứ tự tăng dần: \(1, 3, 5, 7, 9, \dots\) là một dãy số vô hạn với số hạng tổng quát \(u_n = 2n - 1\).

2. Các cách cho một dãy số

Một dãy số có thể được cho bằng các cách sau:

a) Liệt kê các số hạng: (Dùng cho dãy số hữu hạn hoặc dãy số có quy luật rõ ràng)

Ví dụ: Dãy các số nguyên tố nhỏ hơn 10: \(2, 3, 5, 7\).

b) Cho bằng công thức của số hạng tổng quát \(u_n\):

Ví dụ: Cho dãy số \((u_n)\) với \(u_n = \frac{n}{n + 1}\). Ta có thể tính ngay \(u_1 = \frac{1}{2}\), \(u_2 = \frac{2}{3}\),...

c) Cho bằng phương pháp truy hồi:

Cho số hạng đầu (hoặc vài số hạng đầu) và công thức tính \(u_n\) theo các số hạng đứng trước nó.

Ví dụ: Dãy Fibonacci: \(u_1 = 1, u_2 = 1\) và \(u_n = u_{n-1} + u_{n-2}\) với mọi \(n \ge 3\).

d) Cho bằng mô tả thuật toán hay quy tắc:

Ví dụ: Dãy số \((u_n)\) trong đó \(u_n\) là chữ số thập phân thứ \(n\) sau dấu phẩy của số \(\pi\).

3. Dãy số tăng, dãy số giảm

📌 Khái niệm:

• Dãy số \((u_n)\) được gọi là dãy số tăng nếu \(u_{n+1} > u_n\) với mọi \(n \in \mathbb{N}^*\).

• Dãy số \((u_n)\) được gọi là dãy số giảm nếu \(u_{n+1} < u_n\) với mọi \(n \in \mathbb{N}^*\).

🛠️ Phương pháp xét tính tăng / giảm của dãy số \((u_n)\):

Cách 1: Xét hiệu \(K = u_{n+1} - u_n\)

• Nếu \(K > 0\) với mọi \(n \in \mathbb{N}^*\) \(\Rightarrow\) Dãy số tăng.

• Nếu \(K < 0\) với mọi \(n \in \mathbb{N}^*\) \(\Rightarrow\) Dãy số giảm.

Cách 2: Nếu \(u_n > 0\) với mọi \(n\), xét tỉ số \(T = \frac{u_{n+1}}{u_n}\)

• Nếu \(T > 1\) với mọi \(n \in \mathbb{N}^*\) \(\Rightarrow\) Dãy số tăng.

• Nếu \(T < 1\) với mọi \(n \in \mathbb{N}^*\) \(\Rightarrow\) Dãy số giảm.

4. Dãy số bị chặn

• Dãy số \((u_n)\) được gọi là bị chặn trên nếu tồn tại một số thực \(M\) sao cho:

\[ u_n \le M, \quad \forall n \in \mathbb{N}^* \]

• Dãy số \((u_n)\) được gọi là bị chặn dưới nếu tồn tại một số thực \(m\) sao cho:

\[ u_n \ge m, \quad \forall n \in \mathbb{N}^* \]

• Dãy số \((u_n)\) được gọi là bị chặn nếu nó vừa bị chặn trên vừa bị chặn dưới. Nghĩa là tồn tại các số thực \(m, M\) sao cho:

\[ m \le u_n \le M, \quad \forall n \in \mathbb{N}^* \]
💡 Mẹo: Nếu dãy số \((u_n)\) bị chặn thì tồn tại một số thực dương \(M\) sao cho \(|u_n| \le M\) với mọi \(n \in \mathbb{N}^*\).

5. Ví dụ minh họa & Bài tập tự luyện

Ví dụ 1 Xác định số hạng của dãy số cho bằng truy hồi

Cho dãy số \((u_n)\) xác định bởi: \(u_1 = 2\) và \(u_n = 3u_{n-1} + 1\) với mọi \(n \ge 2\). Viết 4 số hạng đầu của dãy số.

Lời giải:

• \(u_1 = 2\)

• \(u_2 = 3u_1 + 1 = 3 \cdot 2 + 1 = 7\)

• \(u_3 = 3u_2 + 1 = 3 \cdot 7 + 1 = 22\)

• \(u_4 = 3u_3 + 1 = 3 \cdot 22 + 1 = 67\)

Vậy 4 số hạng đầu của dãy số là: \(2, 7, 22, 67\).

Ví dụ 2 Xét tính tăng, giảm của dãy số

Xét tính tăng, giảm của dãy số \((u_n)\) với \(u_n = \frac{2n - 1}{n + 1}\).

Lời giải:

Xét hiệu \(u_{n+1} - u_n\):

Ta có \(u_{n+1} = \frac{2(n+1) - 1}{(n+1) + 1} = \frac{2n + 1}{n + 2}\).

\[ u_{n+1} - u_n = \frac{2n + 1}{n + 2} - \frac{2n - 1}{n + 1} = \frac{(2n + 1)(n + 1) - (2n - 1)(n + 2)}{(n + 2)(n + 1)} \] \[ = \frac{(2n^2 + 3n + 1) - (2n^2 + 3n - 2)}{(n + 2)(n + 1)} = \frac{3}{(n + 2)(n + 1)} \]

Vì \(n \in \mathbb{N}^*\) nên \((n + 2)(n + 1) > 0 \Rightarrow u_{n+1} - u_n = \frac{3}{(n + 2)(n + 1)} > 0, \; \forall n \in \mathbb{N}^*\).

Vậy \((u_n)\) là một dãy số tăng.

Ví dụ 3 Xét tính bị chặn của dãy số

Chứng minh dãy số \((u_n)\) với \(u_n = \frac{n}{n^2 + 1}\) là một dãy số bị chặn.

Lời giải:

• Vì \(n \in \mathbb{N}^*\) nên \(n > 0\) và \(n^2 + 1 > 0 \Rightarrow u_n = \frac{n}{n^2 + 1} > 0\). Suy ra \((u_n)\) bị chặn dưới bởi \(0\).

• Xét hiệu \(1 - u_n\):

\[ 1 - u_n = 1 - \frac{n}{n^2 + 1} = \frac{n^2 - n + 1}{n^2 + 1} = \frac{\left(n - \frac{1}{2}\right)^2 + \frac{3}{4}}{n^2 + 1} > 0, \; \forall n \in \mathbb{N}^* \]

\(\Rightarrow u_n < 1, \; \forall n \in \mathbb{N}^*\). Suy ra \((u_n)\) bị chặn trên bởi \(1\).

Vậy \(0 < u_n < 1\) với mọi \(n \in \mathbb{N}^*\), do đó dãy số \((u_n)\) bị chặn.

Bài tập tự luyện:

Bài 1: Viết 5 số hạng đầu của các dãy số sau:

a) \(u_n = \frac{(-1)^n}{2n + 1}\)

b) \(u_1 = 1, u_n = 2u_{n-1} + 3 \quad (n \ge 2)\)

Bài 2: Xét tính tăng, giảm của các dãy số sau:

a) \(u_n = \frac{1}{3^n}\)

b) \(u_n = \frac{n + 2}{n + 1}\)

c) \(u_n = n - \sqrt{n^2 - 1}\)

Bài 3: Xét tính bị chặn của các dãy số sau:

a) \(u_n = \frac{2n + 1}{n + 3}\)

b) \(u_n = \sin\left(\frac{n\pi}{4}\right)\)