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Prueba de verificación de $\lim_{n\to\infty}\frac{1}{n}(1+\sqrt2+\dots + \sqrt{n}) = +\infty$

Demostrar que: $$ \lim_{n\to\infty}\frac{1}{n}(1+\sqrt2+\dots + \sqrt{n}) = +\infty $$

He intentado de la siguiente manera. Considere la siguiente suma: $$ \sqrt n + \sqrt{n-1} + \dots + \sqrt{n-\frac{n}{2}} + \dots + \sqrt{2} + 1 $$

Ahora bien, si tomamos sólo $n\over 2$ términos de la suma obtenemos que: $$ \sqrt n + \sqrt{n-1} + \dots > {n \over 2} \sqrt{n\over 2} $$ Vamos a: $$ x_n = {1 \over n}(1 + \sqrt{2} + \dots + \sqrt{n}),\ \ n\\N Bbb $$

Utilizando la anterior tenemos que: $$ x_n > {1\over n} {n\over 2}\sqrt{n\over 2} = {1\over 2} \sqrt{n \over 2} $$ Ahora tomando el límite de la RHS su obvio que: $$\lim_{n\to\infty}{1\over2}\sqrt{n\over2} = +\infty $$ Lo que implica: $$ \lim_{n\to \infty}x_n = + \infty $$

He hecho de la manera correcta? También agradecería formas alternativas de mostrar que el límite. Gracias!

10voto

gimusi Puntos 1255

Eso parece muy bien, la forma alternativa más sencilla es por Cesaro Stolz,

<span class="math-container">$$\frac{1+\sqrt2+\dots + \sqrt{n+1}-(1+\sqrt2+\dots + \sqrt{n})}{n+1-n}=\sqrt{n+1}$$</span>

Como otra uno alternativa, podemos utilizar AM-GM

<span class="math-container">$$\frac{1}{n}(1+\sqrt2+\dots + \sqrt{n}) \ge \sqrt[2n]{n!}$$</span>

8voto

Bernard Puntos 34415

es una alta suma de Riemann, con la subdivisión <span class="math-container">$\bigl(1+\sqrt2+\dots + \sqrt{n}\bigr) $</span>, la integral <span class="math-container">${0,1,2,\dots ,n}$</span>, que <span class="math-container">$\;\displaystyle \int_0^n\sqrt x\,\mathrm d x=\frac23n^{3/2}$ $</span> que tiende a <span class="math-container">$$\frac1n\bigl(1+\sqrt2+\dots + \sqrt{n}\bigr)\ge\frac1n\int_0^n\sqrt x\,\mathrm d x=\frac23\sqrt n,$</span> <span class="math-container">$+\infty$</span> .

3voto

rtybase Puntos 430

En estilo a la respuesta de @Bernard, pero usando este general (y muy útil) <span class="math-container">$$\lim\limits{n\rightarrow\infty} \frac{1}{n}\sum\limits{k=1}^n f\left(\frac{k}{n}\right)= \int\limits{0}^{1} f(x)dx$ $</span> del truco donde <span class="math-container">$f(x)=\sqrt{x}$</span>, tiene ahora de <span class="math-container">$$\lim\limits{n\rightarrow\infty} \frac{1}{n}\sum\limits{k=1}^n \sqrt{\frac{k}{n}}= \int\limits{0}^{1} \sqrt{x}dx=\frac{2}{3} \tag{1}$ $</span> <span class="math-container">$$\frac{1}{n}\sum\limits{k=1}^n \sqrt{k}=\sqrt{n}\left(\frac{1}{n}\sum\limits{k=1}^n \sqrt{\frac{k}{n}}\right)\overset{(1)}{>}\sqrt{n}\left(\frac{2}{3}-\varepsilon \right) \tag{2}$ $</span> de algunos <span class="math-container">$n_0$</span> adelante. Y el resultado sigue.

2voto

rlpowell Puntos 126

Para dar una alternativa, tenga en cuenta primero que la secuencia está aumentando:

<span class="math-container">$$\begin{align} {1\over n+1}(1+\sqrt2+\cdots+\sqrt n+\sqrt{n+1})-{1\over n}(1+\sqrt2+\cdots\sqrt n) &={\sqrt{n+1}\over n+1}-{1+\sqrt2+\cdots+\sqrt n\over n(n+1)}\ &\gt{\sqrt{n+1}\over n+1}-{n\sqrt n\over n(n+1)}\ &={\sqrt{n+1}-\sqrt n\over n(n+1)} \end {Alinee el} $$</span>

Ahora consideremos

<span class="math-container">$$\begin{align} {1\over n^2}(1+\sqrt2+\cdots+\sqrt{n^2}) &\gt{1\over n^2}(1+1+1+2+2+2+2+2+3+\cdots+(n-1)+n)\ &={1\over n^2}(3\cdot1+5\cdot2+7\cdot3+\cdots+(2n-1)(n-1)+n)\ &\gt{2\over n^2}(1^2+2^2+3^2+\cdots+(n-1)^2)\ &={2\over n^2}\cdot{(n-1)n(2n-1)\over6}\ &={(n-1)(2n-1)\over3n}\ &\to\infty \end {Alinee el} $$</span>

2voto

Calum Gilhooley Puntos 1114

La prueba de que usted ha dado es el que me han dado (porque se utiliza un mínimo de recursos), así que no voy a sugerir una alternativa - sólo se necesita un poco de ajuste.

En primer lugar, hay un pequeño error tipográfico: en dos lugares, has escrito $\sqrt{n + 1}$, donde significaba $\sqrt{n - 1}$.

Más en serio, has asumido que $n$ incluso: no tiene sentido hablar de "$\frac{n}{2}$ términos" cuando $n$ es impar. Esto es fácil de remediar, porque la idea de la prueba de sonido. Una solución es la siguiente, aunque usted puede encontrar una prolija manera:

Cualquiera de las $n = 2k - 1$ o $n = 2k$, donde $k$ es un entero positivo. La última $k$ términos de la secuencia de $1, \sqrt{2}, \ldots, \sqrt{n}$ se $\sqrt{n - k + 1}, \sqrt{n - k + 2}, \ldots, \sqrt{n}$. El más mínimo plazo es $\sqrt{n - k + 1}$, el cual es $\sqrt{k}$ o $\sqrt{k + 1}$. Por lo tanto, la suma de los $k$ términos es en, al menos, $k\sqrt{k}$. Por lo tanto es, al menos, $\frac{n}{2}\sqrt{\frac{n}{2}}$, debido a $k \geqslant \frac{n}{2}$.


He aquí otra idea sencilla, utilizando sólo los muy fácilmente demostrado AM-GM de la desigualdad de dos términos: $$ \sum_{k=1}^n\sqrt{k} = \sum_{k=1}^n\frac{\sqrt{k} + \sqrt{n - k + 1}}{2} \geqslant \sum_{k=1}^n\sqrt[4]{k(n - k + 1)} \geqslant n^{5/4}, $$ debido a $k(n - k + 1) - n = (k - 1)(n - k) \geqslant 0$. Aunque muy débil, es suficiente para el trabajo. (Pero yo prefiero la solución dada en la pregunta.)


Buscando una prueba utilizando el Cauchy-Schwarz desigualdad, todos los que se me ocurrió fue esto: \begin{gather*} \sqrt{k} - \sqrt{k - 1} = \frac{1}{\sqrt{k} + \sqrt{k - 1}} > \frac{1}{2\sqrt{k}} \quad (1 \leqslant k \leqslant n), \\ \therefore\ 1 + \frac{1}{\sqrt{2}} + \cdots + \frac{1}{\sqrt{n}} < 2\sqrt{n}; \\ \text{but } \left(1 + \sqrt{2} + \cdots + \sqrt{n}\right) \left(1 + \frac{1}{\sqrt{2}} + \cdots + \frac{1}{\sqrt{n}}\right) \geqslant n^2, \text{ by C-S}; \\ \therefore\ 1 + \sqrt{2} + \cdots + \sqrt{n} > \frac{n\sqrt{n}}{2}. \end{reunir*}


Se me ocurrió la siguiente bastante largo, pero elemental argumento como una manera de evitar el uso de la desigualdad de Jensen.

Para todos los $k \geqslant 1$, tenemos

$$ \sqrt{k + 1} - \sqrt{k} < \sqrt{k} - \sqrt{k - 1}, $$

porque $$ \left(\sqrt{k + 1} + \sqrt{k - 1}\right)^2 = 2k + 2\sqrt{k^2 - 1} < 4k. $$

Lema Si $n > 2$, y $a_2 - a_1 > a_3 - a_2 > \cdots > a_n - a_{n - 1} > 0$, entonces $$ \frac{a_1 + a_2 + \cdots + a_n}{n} > \frac{a_1 + a_n}{2}. $$

Prueba Escribir $b_k = a_{k+1} - a_k$, por lo que $(b_k)_{1 \leqslant k < n}$es estrictamente a la disminución de la secuencia. Para todos los $k$ tal que $1 < k < n$, tenemos \begin{gather*} \frac{a_n - a_1}{a_k - a_1} = \frac{b_1 + b_2 + \cdots + b_{n-1}}{b_1 + b_2 + \cdots + b_{k-1}} = 1 + \frac{b_k + b_{k+1} + \cdots + b_{n-1}} {b_1 + b_2 + \cdots + b_{k-1}} \\ \leqslant 1 + \frac{(n - k)b_k}{(k - 1)b_{k-1}} < 1 + \frac{n - k}{k - 1} = \frac{n - 1}{k - 1}. \end{reunir*} Establecimiento $h = (a_n - a_1)/(n - 1)$ e $a_k' = a_1 + (k - 1)h$, se por lo tanto, tienen $a_1 = a_1'$, $a_n = a_n'$, e $a_k > a_k'$ ($1 < k < n$), de donde $$ a_1 + a_2 + \cdots + a_n > a_1' + a_2' + \cdots + a_n' = n\frac{a_1' + a_n'}{2} = n\frac{a_1 + a_n}{2}, $$ como se requiere. $\square$

Tomando $a_k = \sqrt{k}$ en el lema, obtenemos $$ 1 + \sqrt{2} + \cdots + \sqrt{n} > \frac{n\left(\sqrt{n} + 1\right)}{2} \quad (n > 2). $$

(Incluso después de todo esto, yo prefiero el OP de la propia prueba, pero buscando alternativas es divertido).


Aquí hay otro bastante simple prueba, que creo que prefiero la dada en la pregunta. (Mirando a las otras respuestas, veo que es una variante de una prueba de que Barry Cipra ya ha publicado, pero probablemente hay suficientes diferencias para hacerlo todavía vale la pena publicar.)

Si $n \geqslant 4$, existe un único entero positivo $r$ tales que $(r + 1)^2 \leqslant n < (r + 2)^2$, y: \begin{align*} & \phantom{=} 1 + \sqrt{2} + \cdots + \sqrt{n} \\ & \geqslant 1 + (\sqrt{2} + \sqrt{3} + \sqrt{4}) + \cdots + (\sqrt{r^2 + 1} + \cdots + \sqrt{(r + 1)^2}) \\ & > 0 + (2^2 - 1^2) \cdot 1 + (3^2 - 2^2) \cdot 2 + \cdots + ((r + 1)^2 - r^2) \cdot r \\ & > 2 \cdot 1^2 + 2 \cdot 2^2 + \cdots + 2 \cdot r^2 \\ & = \frac{1}{3}r(r + 1)(2r + 1) > \frac{2}{3}r^3 \\ & > \frac{2}{3}\left(\sqrt{n} - 2\right)^3. \end{align*}

Aunque no es necesario (para los propósitos actuales), también se podría sostienen que para todos los $n$, existe un único entero positivo $s$tal que $(s - 1)^2 < n \leqslant s^2$, y: \begin{align*} & \phantom{=} 1 + \sqrt{2} + \cdots + \sqrt{n} \\ & \leqslant 1 + (\sqrt{2} + \sqrt{3} + \sqrt{4}) + \cdots + (\sqrt{(s - 1)^2 + 1} + \cdots + \sqrt{s^2}) \\ & \leqslant (1^2 - 0^2) \cdot 1 + (2^2 - 1^2) \cdot 2 + (3^2 - 2^2) \cdot 3 + \cdots + (s^2 - (s - 1)^2) \cdot s \\ & < 2 \cdot 1^2 + 2 \cdot 2^2 + 2 \cdot 3^2 + \cdots + 2 \cdot s^2 \\ & = \frac{1}{3}s(s + 1)(2s + 1) < \frac{2}{3}(s + 1)^3 \\ & < \frac{2}{3}\left(\sqrt{n} + 2\right)^3. \end{align*}

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