一、前言
在本文中,「荒原之梦考研数学」将通过两道题目给同学们展示一下如何将“求和”转为“积分”,内容涵盖考研数学中常考的一重求和转一重积分,以及二重求和转二重积分.
二、正文
根据定积分的定义,定积分就是将一个区间分成无数份,并对每一份做求和操作. 所以,对于以 $n$ 为变量,且 $n \rightarrow \infty$ 形式的求和,我们要做的就是要让 $n$ 都去到分母上,产生 “$\frac{i}{n}$” 或者 “$\frac{j}{n}$” 这样的部分,从而使求和与积分产生关联.
§2.1 单重求和转一重积分
题目
将式子 $\lim_{n \rightarrow + \infty} \sum_{i=1}^{n} \frac{(2i – 1)^{2} }{n^{3} }$ 改写成一重积分的形式.
解析
$$
\begin{aligned}
& \lim_{n \rightarrow + \infty} \sum_{i=1}^{n} \frac{(2i – 1)^{2} }{n^{3} } \\ \\
= \ & \lim_{n \rightarrow + \infty} \sum_{i=1}^{n} \frac{(2i – 1)^{2} }{n^{2} } \cdot \frac{1}{n} \\ \\
= \ & \lim_{n \rightarrow + \infty} \sum_{i=1}^{n} \left( \frac{2i – 1}{n} \right)^{2} \cdot \frac{1}{n} \\ \\
= \ & \lim_{n \rightarrow + \infty} \sum_{i=1}^{n} \left( 2 \cdot \frac{i}{n} – \textcolor{tan}{ \frac{1}{n} } \right)^{2} \cdot \frac{1}{n} \\ \\
\leadsto \ & \textcolor{gray}{ \text{当 } n \rightarrow \infty \text{ 时}, \ \textcolor{tan}{\frac{1}{n}} \rightarrow 0, \text{ 所以}, \ \left( 2 \cdot \frac{i}{n} – \textcolor{tan}{ \frac{1}{n} } \right)^{2} \text{ 中的 } \textcolor{tan}{\frac{1}{n}} \text{ 可以舍去} } \\ \\
= \ & \lim_{n \rightarrow + \infty} \sum_{i=1}^{n} \left( 2 \cdot \frac{i}{n} – \textcolor{red}{\cancel{ \textcolor{tan}{ \frac{1}{n} }} } \right)^{2} \cdot \frac{1}{n} \\ \\
= \ & \lim_{n \rightarrow + \infty} \sum_{i=1}^{n} \left( 2 \cdot \textcolor{lightgreen}{ \frac{i}{n} } \right)^{2} \cdot \textcolor{orangered}{ \frac{1}{n} } \\ \\
\leadsto \ & \textcolor{gray}{ \textcolor{lightgreen}{x_{i} = \frac{i}{n}}, \ \textcolor{orangered}{\Delta x = \frac{1}{n}}, \ \lim_{n \rightarrow \infty} \frac{i}{n} \Big|_{i=1} = 0, \ \lim_{n \rightarrow \infty} \frac{i}{n} \Big|_{i=n} = 1 } \\ \\
= \ & \int_{0}^{1} \left( 2x \right)^{2} \mathrm{~d} x \\ \\
= \ & \textcolor{springgreen}{\int_{0}^{1} 4x^{2} \mathrm{~d} x} \\ \\
\end{aligned}
$$
Tip
通过上面这道题,我们可以知道,在求和转积分的过程中,遇到纯粹用加减法连接的无穷小量,一般是可以直接舍去的,并且通常可以极大地降低计算的复杂度,特别适用于不要求呈现计算过程的选择题或者填空题.
zhaokaifeng.com
§2.2 双重求和转二重积分
题目
将式子 $\lim_{n \rightarrow \infty} \sum_{i=1}^{n} \sum_{j=1}^{n} \frac{n}{(n+i)(n^{2}+j^{2})}$ 改写成二重积分的形式.
解析
$$
\begin{aligned}
& \lim_{n \rightarrow \infty} \sum_{i=1}^{n} \sum_{j=1}^{n} \frac{n}{(n+i)(n^{2}+j^{2})} \\ \\
= \ & \lim_{n \rightarrow \infty} \sum_{i=1}^{n} \sum_{j=1}^{n} \frac{n}{n \cdot n^{2} \cdot \left[1 + \left(\frac{j}{n}\right)^{2}\right] \cdot \left(1 + \frac{i}{n}\right)} \\ \\
= \ & \lim_{n \rightarrow \infty} \sum_{i=1}^{n} \sum_{j=1}^{n} \frac{1}{n^{2}} \cdot \frac{1}{1 + \left(\frac{j}{n}\right)^{2}} \cdot \frac{1}{1 + \frac{i}{n}} \\ \\
= \ & \lim_{n \rightarrow \infty} \sum_{i=1}^{n} \sum_{j=1}^{n} \left( \textcolor{lightgreen}{\frac{1}{n} \cdot \frac{1}{1 + \left(\frac{j}{n}\right)^{2}}} \right) \cdot \textcolor{orangered}{ \frac{1}{n} \cdot \frac{1}{1 + \frac{i}{n}} } \\ \\
= \ & \lim_{n \rightarrow \infty} \sum_{i=1}^{n} \left[ \left( \textcolor{lightgreen}{\sum_{j=1}^{n} \frac{1}{n} \cdot \frac{1}{1 + \left( \frac{j}{n} \right)^{2}} } \right) \cdot \textcolor{orangered}{ \frac{1}{n} \cdot \frac{1}{1 + \frac{i}{n}} } \right] \\ \\
\leadsto \ & \textcolor{gray}{ \begin{cases}
\textcolor{lightgreen}{ \Delta y = \frac{1}{n} } \\
\textcolor{lightgreen}{ y_{i} = \frac{j}{n} }
\end{cases}, \begin{cases}
\textcolor{orangered}{\Delta x = \frac{1}{n}} \\
\textcolor{orangered}{ x_{i} = \frac{i}{n} }
\end{cases} } \\ \\
\leadsto \ & \textcolor{gray}{\begin{cases}
\lim_{n \rightarrow \infty} \frac{j}{n} = \textcolor{orange}{0}, j = 1 \\ \lim_{n \rightarrow \infty} \frac{i}{n} = \textcolor{orange}{0}, i = 1
\end{cases}}, \textcolor{gray}{\begin{cases}
\lim_{n \rightarrow \infty} \frac{j}{n} = \textcolor{orange}{1}, j = n \\ \lim_{n \rightarrow \infty} \frac{i}{n} = \textcolor{orange}{1}, i = n
\end{cases}} \\ \\
= \ & \int_{\textcolor{orange}{0}}^{\textcolor{orange}{1}} \left[ \left( \textcolor{lightgreen}{ \int_{\textcolor{orange}{0}}^{\textcolor{orange}{1}} \frac{1}{1 + y^{2}} \mathrm{~d} y } \right) \cdot \frac{1}{1 + x} \right] \mathrm{~d} x \\ \\
= \ & \int_{0}^{1} \left[ \left( \int_{0}^{1} \frac{1}{1 + y^{2}} \cdot \frac{1}{1 + x} \mathrm{~d} y \right) \right] \mathrm{~d} x \\ \\
= \ & \textcolor{springgreen}{ \int_{0}^{1} \mathrm{d} x \int_{0}^{1} \frac{1}{(1+x)(1+y^{2})} \mathrm{~d} y }
\end{aligned}
$$
高等数学
涵盖高等数学基础概念、解题技巧等内容,图文并茂,计算过程清晰严谨。
线性代数
以独特的视角解析线性代数,让繁复的知识变得直观明了。
特别专题
通过专题的形式对数学知识结构做必要的补充,使所学知识更加连贯坚实。