STEP求和:看到相邻项相消后,为什么还要把首尾两端写出来

裂项求和的难点往往不是识别“可以相消”,而是准确写出留下来的边界。只写一句中间全消掉,很容易少算第一项或把最后的分母错移一位。先定义有限部分和,可以让每一步有明确对象。

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先证明单项恒等式

原创练习设Sₙ=Σ从k=1到n的1/[k(k+1)],其中n为正整数。通分可得1/k-1/(k+1)=[(k+1)-k]/[k(k+1)]=1/[k(k+1)],因此每一项都可改写成两个倒数之差。

先做通分核验,能避免把差的顺序写反。若误写为1/(k+1)-1/k,结果将是原项的相反数;正项和不可能因此突然变成负数,这是一个很快的符号检查。

展开首尾,而不是只说中间消去

Sₙ=(1-1/2)+(1/2-1/3)+…+(1/n-1/(n+1))。每个内部负项都与下一组的正项抵消,最后留下Sₙ=1-1/(n+1)=n/(n+1)。

例如n=4时,直接计算1/2+1/6+1/12+1/20=4/5,与公式一致。最后留下的分母是n+1,不是n;它来自最后一组的负项,应当在展开时明确写出。

无穷和需要在有限公式后取极限

对每个有限n,Sₙ都小于1,且与1的差为1/(n+1)。当n趋于无穷时,这个差趋于零,所以相应无穷级数的和为1。不能把有限的Sₙ直接写成1。

这个推导先对任意有限n建立精确等式,再研究极限,没有把没有边界的无限项随意重排。遇到更复杂级数时,保持这种顺序尤其重要,因为形式上看似可以消去,不自动保证无穷和存在。

改变起点时重新检查边界

若改为从k=3加到n,且n≥3,同样展开后得到1/3-1/(n+1)。起点改变,留下来的第一项也跟着改变;不能继续套用从1开始的结果。

本例是自主设计的STEP学习练习,不是官方题目。可用一组短和、正负号和极限三个角度核验,再尝试自己解释为什么每项恰好被配对。官方支持模块用于安排学习次序;扫码时可带上自己展开的首尾几项。

延伸阅读:STEP证明训练:数学归纳法的递推步,究竟假设了什么。

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