Giải Bài Tập Bài 15: Giới hạn của dãy số - Toán 11 KNTT

BÀI 15: GIỚI HẠN CỦA DÃY SỐ
(SGK TOÁN 11 - KẾT NỐI TRI THỨC VỚI CUỘC SỐNG)

Bài 5.1. Tìm các giới hạn sau:
a) \(\lim_{n \to +\infty} \frac{n^2 + n + 1}{2n^2 + 1}\);
b) \(\lim_{n \to +\infty} \left(\sqrt{n^2 + 2n} - n\right)\).
Lời giải:

a) \(\lim_{n \to +\infty} \frac{n^2 + n + 1}{2n^2 + 1}\):

Chia cả tử và mẫu cho \(n^2\):

\[\lim_{n \to +\infty} \frac{n^2 + n + 1}{2n^2 + 1} = \lim_{n \to +\infty} \frac{1 + \frac{1}{n} + \frac{1}{n^2}}{2 + \frac{1}{n^2}} = \frac{1 + 0 + 0}{2 + 0} = \frac{1}{2}\]

b) \(\lim_{n \to +\infty} \left(\sqrt{n^2 + 2n} - n\right)\):

Nhân và chia với biểu thức liên hợp \(\sqrt{n^2 + 2n} + n\):

\[\lim_{n \to +\infty} \left(\sqrt{n^2 + 2n} - n\right) = \lim_{n \to +\infty} \frac{(\sqrt{n^2 + 2n} - n)(\sqrt{n^2 + 2n} + n)}{\sqrt{n^2 + 2n} + n}\] \[= \lim_{n \to +\infty} \frac{n^2 + 2n - n^2}{\sqrt{n^2 + 2n} + n} = \lim_{n \to +\infty} \frac{2n}{\sqrt{n^2 + 2n} + n}\]

Chia cả tử và mẫu cho \(n\) (\(n > 0\)):

\[= \lim_{n \to +\infty} \frac{2}{\sqrt{1 + \frac{2}{n}} + 1} = \frac{2}{\sqrt{1 + 0} + 1} = \frac{2}{2} = 1\]
Bài 5.2. Cho hai dãy số không âm \((u_n)\) và \((v_n)\) với \(\lim_{n \to +\infty} u_n = 2\) và \(\lim_{n \to +\infty} v_n = 3\). Tìm các giới hạn sau:
a) \(\lim_{n \to +\infty} \frac{u_n^2}{v_n - u_n}\);
b) \(\lim_{n \to +\infty} \sqrt{u_n + 2v_n}\).
Lời giải:

Áp dụng các định lí về giới hạn hữu hạn của dãy số:

a) \(\lim_{n \to +\infty} \frac{u_n^2}{v_n - u_n}\):

Vì \(\lim_{n \to +\infty} u_n = 2\) và \(\lim_{n \to +\infty} v_n = 3\), ta có:

\[\lim_{n \to +\infty} u_n^2 = (\lim_{n \to +\infty} u_n)^2 = 2^2 = 4\] \[\lim_{n \to +\infty} (v_n - u_n) = \lim_{n \to +\infty} v_n - \lim_{n \to +\infty} u_n = 3 - 2 = 1 \neq 0\]

Do đó:

\[\lim_{n \to +\infty} \frac{u_n^2}{v_n - u_n} = \frac{4}{1} = 4\]

b) \(\lim_{n \to +\infty} \sqrt{u_n + 2v_n}\):

Ta có:

\[\lim_{n \to +\infty} (u_n + 2v_n) = \lim_{n \to +\infty} u_n + 2 \lim_{n \to +\infty} v_n = 2 + 2(3) = 8 > 0\]

Do đó:

\[\lim_{n \to +\infty} \sqrt{u_n + 2v_n} = \sqrt{\lim_{n \to +\infty} (u_n + 2v_n)} = \sqrt{8} = 2\sqrt{2}\]
Bài 5.3. Tìm giới hạn của các dãy số cho bởi:
a) \(u_n = \frac{n^2 + 1}{2n - 1}\);
b) \(v_n = \sqrt{2n^2 + 1} - n\).
Lời giải:

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

Chia cả tử và mẫu cho \(n\):

\[u_n = \frac{n + \frac{1}{n}}{2 - \frac{1}{n}}\]

Vì \(\lim_{n \to +\infty} \left(n + \frac{1}{n}\right) = +\infty\) và \(\lim_{n \to +\infty} \left(2 - \frac{1}{n}\right) = 2 > 0\), suy ra:

\[\lim_{n \to +\infty} u_n = +\infty\]

b) \(v_n = \sqrt{2n^2 + 1} - n\):

Rút \(n\) làm nhân tử chung:

\[v_n = \sqrt{n^2\left(2 + \frac{1}{n^2}\right)} - n = n\left(\sqrt{2 + \frac{1}{n^2}} - 1\right)\]

Vì \(\lim_{n \to +\infty} n = +\infty\) và \(\lim_{n \to +\infty} \left(\sqrt{2 + \frac{1}{n^2}} - 1\right) = \sqrt{2} - 1 > 0\), suy ra:

\[\lim_{n \to +\infty} v_n = +\infty\]
Bài 5.4. Viết các số thập phân vô hạn tuần hoàn sau đây dưới dạng phân số:
a) \(1,(12) = 1,121212\dots\);
b) \(3,(102) = 3,102102102\dots\)
Lời giải:

a) \(1,(12) = 1,121212\dots\):

Biểu diễn dưới dạng tổng của cấp số nhân lùi vô hạn:

\[1,(12) = 1 + \frac{12}{100} + \frac{12}{100^2} + \frac{12}{100^3} + \dots\]

Các số hạng từ \(\frac{12}{100}\) lập thành cấp số nhân lùi vô hạn với số hạng đầu \(u_1 = \frac{12}{100}\) và công bội \(q = \frac{1}{100}\) (\(|q| < 1\)).

Tổng của cấp số nhân lùi vô hạn là:

\[S = \frac{u_1}{1 - q} = \frac{\frac{12}{100}}{1 - \frac{1}{100}} = \frac{\frac{12}{100}}{\frac{99}{100}} = \frac{12}{99} = \frac{4}{33}\]

Do đó:

\[1,(12) = 1 + \frac{4}{33} = \frac{37}{33}\]

b) \(3,(102) = 3,102102102\dots\):

Biểu diễn dưới dạng tổng:

\[3,(102) = 3 + \frac{102}{1000} + \frac{102}{1000^2} + \frac{102}{1000^3} + \dots\]

Xét tổng cấp số nhân lùi vô hạn với \(u_1 = \frac{102}{1000}\) và \(q = \frac{1}{1000}\):

\[S = \frac{\frac{102}{1000}}{1 - \frac{1}{1000}} = \frac{\frac{102}{1000}}{\frac{999}{1000}} = \frac{102}{999} = \frac{34}{333}\]

Do đó:

\[3,(102) = 3 + \frac{34}{333} = \frac{333 \times 3 + 34}{333} = \frac{1033}{333}\]
Bài 5.5. Một bệnh nhân hằng 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.
Lời giải:

1. Tính lượng thuốc trong cơ thể sau khi uống viên thuốc ngày thứ 5:

Gọi \(u_n\) là lượng thuốc (mg) trong cơ thể bệnh nhân ngay sau khi uống viên thuốc ngày thứ \(n\).

  • Ngày thứ nhất (\(n = 1\)): \(u_1 = 150\) mg.
  • Ngày thứ hai (\(n = 2\)): \(u_2 = 150 + 5\% u_1 = 150 + 0,05 \times 150\).
  • Ngày thứ ba (\(n = 3\)): \(u_3 = 150 + 0,05 u_2 = 150 + 150 \times 0,05 + 150 \times 0,05^2\).

Tổng quát, lượng thuốc trong cơ thể sau khi uống ngày thứ \(n\) là:

\[u_n = 150 + 150 \times 0,05 + 150 \times 0,05^2 + \dots + 150 \times 0,05^{n-1} = 150 \cdot \frac{1 - 0,05^n}{1 - 0,05}\]

Với ngày thứ 5 (\(n = 5\)):

\[u_5 = 150 \cdot \frac{1 - 0,05^5}{1 - 0,05} = 150 \cdot \frac{1 - 0,0000003125}{0,95} \approx 157,89 \text{ (mg)}\]

2. Ước tính lượng thuốc khi sử dụng trong một thời gian dài (\(n \to +\infty\)):

Khi bệnh nhân sử dụng thuốc lâu dài (\(n \to +\infty\)), lượng thuốc trong cơ thể tiến dần về giới hạn của cấp số nhân lùi vô hạn (\(|0,05| < 1\)):

\[\lim_{n \to +\infty} u_n = \lim_{n \to +\infty} 150 \cdot \frac{1 - 0,05^n}{1 - 0,05} = \frac{150}{1 - 0,05} = \frac{150}{0,95} = \frac{3000}{19} \approx 157,89 \text{ (mg)}\]

Vậy lượng thuốc trong cơ thể bệnh nhân sẽ ổn định ở mức khoảng 157,89 mg.

Bài 5.6. Cho tam giác vuông \(ABC\) vuông tại \(A\), có \(AB = h\) và góc \(B\) bằng \(\alpha\) (H.5.3). Từ \(A\) kẻ \(AA_1 \perp BC\), từ \(A_1\) kẻ \(A_1A_2 \perp AC\), sau đó lại kẻ \(A_2A_3 \perp BC\). Tiếp tục quá trình trên, ta được đường gấp khúc vô hạn \(AA_1A_2A_3\dots\) Tính độ dài đường gấp khúc này theo \(h\) và \(\alpha\).
Lời giải:

Xét các tam giác vuông trong hình vẽ:

  • Trong tam giác vuông \(ABA_1\) vuông tại \(A_1\), góc \(\widehat{B} = \alpha\): \[AA_1 = AB \cdot \sin \alpha = h \sin \alpha\]
  • Ta có \(\widehat{A_1AC} = \alpha\) (cùng phụ với \(\widehat{C}\)).
    Trong tam giác vuông \(AA_1A_2\) vuông tại \(A_2\): \[A_1A_2 = AA_1 \cdot \cos \alpha = h \sin \alpha \cos \alpha\]
  • Trong tam giác vuông \(A_1A_2A_3\) vuông tại \(A_3\), góc \(\widehat{A_2A_1C} = \alpha\): \[A_2A_3 = A_1A_2 \cdot \cos \alpha = h \sin \alpha \cos^2 \alpha\]

Độ dài các đoạn thẳng của đường gấp khúc \(AA_1, A_1A_2, A_2A_3, \dots\) lập thành một cấp số nhân có:

  • Số hạng đầu: \(u_1 = AA_1 = h \sin \alpha\)
  • Công bội: \(q = \cos \alpha\)

Vì góc nhọn \(\alpha \in (0^\circ; 90^\circ)\) nên \(0 < \cos \alpha < 1\), đây là cấp số nhân lùi vô hạn.

Độ dài của đường gấp khúc vô hạn \(AA_1A_2A_3\dots\) là tổng của cấp số nhân lùi vô hạn:

\[S = u_1 + u_2 + u_3 + \dots = \frac{u_1}{1 - q} = \frac{h \sin \alpha}{1 - \cos \alpha}\]

Vậy độ dài đường gấp khúc vô hạn là \(\frac{h \sin \alpha}{1 - \cos \alpha}\).