除夕朋友圈看到的一道好玩的极限题

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这个题刚开始看到的时候确实有点为难,这个显然跟取整函数有关,小数部分又比较难考虑.读者可以自己先想一想.

首先为了猜出答案,用mathematica计算了几个特殊的值(精度取4位小数):

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所以可以猜测$\lim_{n\to \infty} { (2+\sqrt{2})^n}=1$. 这个小数部分是递增的才是好玩的地方.

为了证明这个猜测,我们能用的大概只有二项式展开:

$$ (2+\sqrt{2})^n=\sum_{k=0}^n \binom{n}{k}\cdot 2^{n-k}\cdot(\sqrt{2})^k$$

可以发现,${(2+\sqrt{2})^n}$只跟$k$为奇数的项有关,因为$k$为偶数的项都是整数,不影响它的小数部分,所以我们不妨记$(2+\sqrt{2})^n=A_n+B_n\sqrt{2}$,其中$A_n$为所有$k$为偶数项的和,$B_n$为所有$k$为奇数项时$\sqrt{2}$的系数和,从而

$$ { (2+\sqrt{2})^n}={ B_n \sqrt{2}}$$

接下来我们就要考虑${ B_n \sqrt{2}}$,此时自然会考虑此问题的一个对偶式子$(2-\sqrt{2})^n=A_n-B_n\sqrt{2}$. 于是我们有

$$(2+\sqrt{2})^n+(2-\sqrt{2})^n=2A_n\in \mathbb{Z}$$

因为当$n\to \infty,(2-\sqrt{2})^n \to 0 $,所以上面的式子其实就告诉了我们当$n\to \infty$时,$(2+\sqrt{2})^n$的小数部分就是$1-(2-\sqrt{2})^n$,这其实就告诉我们$\lim_{n\to \infty} { (2+\sqrt{2})^n}=1$.

所以我们就证明了我们的猜测.

这个题本身确实不难,上面的过程体现了思考数学问题的方向和策略:大胆猜测,小心求证,按图索骥,步步为营.

以上是忙里偷闲写点小东西更新一下.

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