Calculus · real student question

把 n 趨近無限大時,i 從 1 到 n 的 (3 + 2i/n) 平方乘以 2/n 的總和極限,解釋成一個定積分並求值。

Question

把下列極限解釋成定積分並求值:

limni=1n(3+2in)22n.\lim_{n\to\infty}\sum_{i=1}^{n}\left(3+\frac{2i}{n}\right)^{2}\cdot\frac{2}{n}.

Step-by-step solution

  1. 把這個和與積分的定義對照。 ff[a,b][a,b] 上的右端點黎曼和是

    abf(x)dx=limni=1nf(a+iΔx)Δx,Δx=ban.\int_{a}^{b}f(x)\,dx=\lim_{n\to\infty}\sum_{i=1}^{n}f(a+i\,\Delta x)\,\Delta x,\qquad \Delta x=\frac{b-a}{n}.

    所以工作就是對上三樣東西:寬 Δx\Delta x、取樣點 a+iΔxa+i\,\Delta x,以及對應法則 ff

  2. 讀出寬,順帶讀出區間長度。 平方外面那個因子是 2n\dfrac{2}{n},所以

    Δx=2n=banba=2.\Delta x=\frac{2}{n}=\frac{b-a}{n}\quad\Longrightarrow\quad b-a=2.

  3. 讀出左端點。 取樣點是 3+2in=3+iΔx3+\dfrac{2i}{n}=3+i\,\Delta x。與 a+iΔxa+i\,\Delta x 對照得 a=3a=3,於是 b=a+2=5b=a+2=5。(那個沒有乘上 ii 的常數,永遠是左端點。)

  4. 讀出函數。 對取樣點做的動作是平方,所以 f(x)=x2f(x)=x^{2}。三塊拼起來,

    limni=1n(3+2in)22n=35x2dx.\lim_{n\to\infty}\sum_{i=1}^{n}\left(3+\frac{2i}{n}\right)^{2}\frac{2}{n}=\int_{3}^{5}x^{2}\,dx.

  5. 把積分算出來。

    35x2dx=[x33]35=1253273=98332.667.\int_{3}^{5}x^{2}\,dx=\left[\frac{x^{3}}{3}\right]_{3}^{5}=\frac{125}{3}-\frac{27}{3}=\frac{98}{3}\approx 32.667.

    檢查:直接用 n=106n=10^{6} 把和加起來得到 32.6666832.66668,與 983\tfrac{98}{3} 到小數第五位吻合。順帶一提,這個對應方式不是唯一的:把同一個極限寫成 a=0, b=2a=0,\ b=2f(x)=(3+x)2f(x)=(3+x)^{2},得到的是同一個數。

Answer

35x2dx=98332.667\int_{3}^{5}x^{2}\,dx=\frac{98}{3}\approx 32.667

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