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一道夾擠定理練習題

    \begin{align*} \lim_{n\to\infty} \frac{(2n)!}{n^{2n}} \end{align*}

 

學過 Stirling 公式的同學,也許一看就知道能輕易解決此題。不過現在我們不使用 Stirling 公式,用更初等一些的解法來磨刀,訓練我們不等式放縮的技能。

 

 解1

 

    \begin{align*} 0\le&\,\frac{(2n)!}{n^{2n}}\\ =&\,\frac{1\cdot2n}{n^2}\cdot \frac{2\cdot(2n-1)}{n^2}\times\cdots\times \frac{n(n+1)}{n^2}\\ \le&\,\frac{1\cdot2n}{n^2}\cdot \frac{(n+1)^2}{n^2}\times\cdots\times \frac{(n+1)^2}{n^2}\\ =&\,\frac{2}{n}\cdot \left(1+\frac{1}{n}\right)^2\times\cdots\times \left(1+\frac{1}{n}\right)^2\\ =&\,\frac{2}{n}\cdot \left(1+\frac{1}{n}\right)^{2n-2} \end{align*}

由於

    \begin{align*} \lim_{n\to\infty} \frac{2}{n}\cdot \left(1+\frac{1}{n}\right)^{2n-2}=0 \end{align*}

故由夾擠定理知原極限為 0

 

 解2

 

    \begin{align*} 0\le&\,\frac{(2n)!}{n^{2n}}\\ =&\,\frac{n\cdot(2n)}{n^2}\cdot \frac{(n+1)(n-1)}{n^2}\cdot \frac{(n+2)(n-2)}{n^2}\times\cdots\times \frac{(2n-1)\cdot1}{n^2}\\ \le&\,2\cdot\frac{n^2}{n^2}\times\cdots\times \frac{n^2}{n^2}\cdot\frac{2n-1}{n^2} \end{align*}

由於

    \begin{align*} \lim_{n\to\infty} \frac{2(2n-1)}{n^2}=0 \end{align*}

故由夾擠定理知原極限為 0

 

 解3

 

由算幾不等式

    \begin{align*} \sqrt[2n-1]{(2n)!} \le\frac{2+3+\cdots+(2n-1)+2n}{2n-1} =n+1 \end{align*}

故有

    \begin{align*} 0\le\frac{(2n)!}{n^{2n}} \le\left(\frac{n+1}{n}\right)^{2n-1}\cdot\frac{1}{n} \end{align*}

由於

    \begin{align*} \lim_{n\to\infty} \left(\frac{n+1}{n}\right)^{2n-1}\cdot\frac{1}{n}=0 \end{align*}

故由夾擠定理知原極限為 0

 

 

練習:試說明級數 \medop \sum\limits_{n=1}^{\infty}\mfrac{(2n)!}{n^{2n}} 收斂,從而其一般項趨向 0

 


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