Własność silni\[(n+1)!=n!\cdot (n+1)\]
Suma \(\boldsymbol n\) początkowych wyrazów ciągu arytmetycznego \(\boldsymbol{\left(a_n\right)}\) \[S_n={a_1+a_n\over 2}\cdot n\]
Suma \(\boldsymbol n\) początkowych wyrazów ciągu geometrycznego \(\boldsymbol{\left(a_n\right)}\)\[S_n=a_1\cdot{1-q^n\over 1-q} \quad \hbox{dla}\quad q\neq 1\]
Wzory skróconego mnożenia
\[\left(a-b\right)\cdot\left(a+b\right)=a^2-b^2\] \[\left(a-b\right)\cdot\left(a^2+ab+b^2\right)=a^3-b^3\]
Własność działań na potęgach
\[{a^x\over a^y}=a^{x-y}\]

Granice wyrażeń z pierwiastkami, potęgami i silniami

W poniższym zadaniu pokażemy, jak obliczyć granicę ciągu o symbolu nieoznaczonym \(\left[\infty-\infty\right]\), w którym występują pierwiastki. Wykorzystamy do tego celu wzory skróconego mnożenia.
Zadanie
Oblicz granice:
  1. \(\displaystyle \lim_{n\rightarrow \infty}\left({\sqrt{n^2+9}-\sqrt{n^2+2}}\right)\)
    Ustalamy symbol wyrażenia \[\lim_{n\rightarrow \infty}\left({\sqrt{n^2+9}-\sqrt{n^2+2}}\right)= \zielony{[\infty-\infty]}\] Otrzymaliśmy wyrażenie nieoznaczone \(\left[ \infty-\infty \right]\), więc musimy wykonać odpowiednie przekształcenie. W przypadku ciągu, który jest różnicą pierwiastków stopnia drugiego, należy pomnożyć i podzielić jego \(n\)-ty wyraz przez czynnik \(\czerwony{\boldsymbol{\sqrt{n^2+9}+\sqrt{n^2+2}}}\) (różny od zera), brakujący do wzoru skróconego mnożenia na różnicę kwadratów \(\left(a-b\right)\cdot\left(a+b\right)=a^2-b^2\). Wówczas \[\eqalign{\lim_{n\rightarrow \infty}&\left(\sqrt{n^2+9}-\sqrt{n^2+2}\right)\overset {\zielony{[\infty-\infty]}}{=}\cr&\overset {\zielony{[\infty-\infty]}}{=} \lim_{n\rightarrow \infty}{\left(\sqrt{n^2+9}-\sqrt{n^2+2}\right)\czerwony{\boldsymbol{\left(\sqrt{n^2+9}+ \sqrt{n^2+2}\right)}} \over \czerwony{\boldsymbol{\sqrt{n^2+9}+\sqrt{n^2+2}}}}=\cr &= \lim_{n\rightarrow \infty}{\left(n^2+9\right)-\left(n^2+2\right) \over \sqrt{n^2+9}+\sqrt{n^2+2}}= \cr &= \lim_{n\rightarrow \infty}{7\over {\dcancelto{\niebieski}{\infty}{\sqrt{n^2+9}}}+{\dcancelto{\niebieski}{\infty}{\sqrt{n^2+2}}}}= {\zielony{\left[{7\over \infty}\right]}}=0\cr}\]
  2. \(\lim\limits_{n\to\infty}\left(n-\sqrt[3]{n^3+1}\right)\)
    Ustalamy symbol wyrażenia \[\lim\limits_{n\to\infty}{\left(n-\sqrt[3]{n^3+1}\right)}= {\zielony{\left[\infty-\infty\right]}}\] Przekształcimy \(n\)-ty wyraz tego ciągu, mnożąc go i dzieląc przez dodatni czynnik \[\czerwony{\boldsymbol{n^2+n\cdot \sqrt[3]{n^3+1}+{\left(\sqrt[3]{n^3+1}\right)}^2}}\] brakujący do wzoru skróconego mnożenia na różnicę sześcianów \(\left(a-b\right)\cdot\left(a^2+ab+b^2\right)=a^3-b^3\). Wówczas \[\eqalign{ \lim\limits_{n\to\infty}&\left(n-\sqrt[3]{n^3+1}\right) \overset{\zielony{\left[\infty-\infty\right]}}{=}\cr& \overset{\zielony{\left[\infty-\infty\right]}}{=} \lim\limits_{n\to\infty}\frac {\left(n-\sqrt[3]{n^3+1}\right)\cdot \czerwony{\boldsymbol{\left(n^2+n\cdot \sqrt[3]{n^3+1}+\left(\sqrt[3]{n^3+1}\right)^2\right)}}} {\czerwony{\boldsymbol{n^2+n\cdot \sqrt[3]{n^3+1}+{\left(\sqrt[3]{n^3+1}\right)}^2}}}=\cr &= \lim\limits_{n\to\infty}{{\frac {{n}^3-{\left(\sqrt[3]{n^3+1}\right)}^3} {n^2+n\cdot \sqrt[3]{n^3+1}+{\left(\sqrt[3]{n^3+1}\right)}^2}}}=\cr &= \lim\limits_{n\to\infty}\frac {-1} {{\dcancelto{\niebieski}{+\infty}{n^2}}+{\dcancelto{\niebieski}{+\infty}{n}}\cdot {\dcancelto{\niebieski}{+\infty}{\sqrt[3]{n^3+1}}}+ {\dcancelto{\niebieski}{+\infty}{\left(\sqrt[3]{n^3+1}\right)^2}}}= \zielony{\left[{-1\over \infty}\right]}=0 \cr }\]
  3. \(\displaystyle \lim_{n\rightarrow \infty}{\frac{1}{\sqrt{9n^2+3}-3n}}\)
    Ustalamy symbol wyrażenia \[\lim_{n\rightarrow \infty}{\frac{1}{\sqrt{9n^2+3}-3n}}= {\zielony{\frac {1}{[\infty-\infty]}}}\] Ponieważ w mianowniku otrzymaliśmy wyrażenie nieoznaczone \(\left[ {\infty}-{\infty} \right]\), to musimy wykonać odpowiednie przekształcenie. Z uwagi na występujący w mianowniku pierwiastek stopnia drugiego, pomnożymy licznik i mianownik przez czynnik \(\czerwony{\boldsymbol{\sqrt{9n^2+3}+3n}}\) (różny od zera), brakujący do wzoru skróconego mnożenia na różnicę kwadratów \(\left(a-b\right)\cdot\left(a+b\right)=a^2-b^2\). Wówczas \[\eqalign{\lim_{n\rightarrow \infty}&\frac{1}{\sqrt{9n^2+3}-3n} \overset{\zielony{\frac {1}{[\infty-\infty]}}}{=} \lim_{n\rightarrow \infty}{\czerwony{\boldsymbol{\sqrt{9n^2+3}+3n}}\over \left(\sqrt{9n^2+3}- 3n\right)\czerwony{\boldsymbol{\left(\sqrt{9n^2+3}+3n\right)}}}= \cr &= \lim_{n\rightarrow \infty}{\sqrt{9n^2+3}+3n\over 9n^2+3-9n^2}= \lim_{n\rightarrow \infty}{{\gcancelto{\niebieski}{\infty}{\sqrt{9n^2+3}}}+{\gcancelto{\niebieski}{\infty}{3n}}\over 3}={\zielony{{\left[\infty\over 3\right]}}}=\infty\cr}\]
  4. \(\lim\limits_{n\to\infty}{\left(2n-\sqrt{4n^2+3n}\right)}\)
    Ustalamy symbol wyrażenia \[\lim\limits_{n\to\infty}{\left(2n-\sqrt{4n^2+3n}\right)}= {\zielony{[\infty-\infty]}}\] Otrzymaliśmy wyrażenie nieoznaczone \(\left[ {\infty}-{\infty} \right]\), w którym występuje pierwiastek stopnia drugiego, dlatego pomnożymy i podzielimy \(n\)-ty wyraz ciągu przez czynnik \(\czerwony{\boldsymbol{2n+\sqrt{4n^2+3n}}}\) (różny od zera), brakujący do wzoru skróconego mnożenia na różnicę kwadratów \(\left(a-b\right)\cdot\left(a+b\right)=a^2-b^2\). Wtedy \[\eqalign{\lim\limits_{n\to\infty}& {\left(2n-\sqrt{4n^2+3n}\right)} \overset{\zielony{[\infty-\infty]}}{=}\cr &\overset{\zielony{[\infty-\infty]}}{=} \lim\limits_{n\to\infty}{{\frac {\left(2n-\sqrt{4n^2+3n}\right)\czerwony{\boldsymbol{\left(2n+\sqrt{4n^2+3n}\right)}}}{\czerwony{\boldsymbol{2n+\sqrt{4n^2+3n}}}}}}=\cr &= \lim\limits_{n\to\infty}{{\frac {{\left(2n\right)}^2-{\left(\sqrt{4n^2+3n}\right)}^2}{2n+\sqrt{4n^2+3n}}}}= \lim\limits_{n\to\infty}{{\frac {4{n}^2-\left(4n^2+3n\right)}{2n+\sqrt{4n^2+3n}}}}=\cr &= \lim\limits_{n\to\infty}{{\frac {4{n}^2-4n^2-3n}{2n+\sqrt{4n^2+3n}}}}= \lim\limits_{n\to\infty}{{\frac {{\gcancelto{\niebieski}{-\infty}{-3n}}} {{\dcancelto{\niebieski}{\infty}{2n}}+{\dcancelto{\niebieski}{\infty}{\sqrt{4n^2+3n}}}}}}= {\zielony{\left[-\infty\over \infty\right]}}\overset{\boldsymbol *}{=}\cr }\] Ponieważ ponownie otrzymaliśmy wyrażenie nieoznaczone \(\left[-\infty\over \infty\right]\), więc musimy wykonać kolejne przekształcenia zmierzające do skrócenia czynnika \(n\) \(\left(n\neq 0\textrm{ dla }n\in \mathbb{N}\right)\), który wyłączymy przed nawias z licznika i mianownika. Najpierw jednak wyłączymy ten czynnik spod pierwiastka stopnia drugiego \[\eqalign{\overset{\boldsymbol *}{=}\displaystyle \lim\limits_{n\to\infty}&{-3n\over 2n+\sqrt{n^2\left(4+{3\over n}\right)}} = \lim\limits_{n\to\infty}{-3n\over 2n+n\sqrt{4+{3\over n}}}=\cr &= \lim\limits_{n\to\infty}{-3{\ccancel{\fioletowy}{n}}\over {\ccancel{\fioletowy}{n}}\left(2+\sqrt{4+{3\over n}}\right)}= \lim\limits_{n\to\infty}{-3\over 2+\sqrt{4+{\dcancelto{\czerwony}{0}{3\over n}}}}=\frac {-3}{2+{\sqrt{4}}}= -\frac {3}{4}\cr}\]
  5. \(\displaystyle \lim\limits_{n\to\infty}{\frac{n}{\sqrt{n^2+3n}-2n}}\)
    Ustalamy symbol wyrażenia \[\lim\limits_{n\to\infty}{\frac{n}{\sqrt{n^2+3n}-2n}}= {\zielony{\left[\frac{\infty}{\infty-\infty}\right]}}\] Z uwagi na pierwiastek stopnia drugiego występujący w mianowniku, pomnożymy i podzielimy \(n\)-ty wyraz ciągu przez czynnik \(\czerwony{\boldsymbol{\sqrt{n^2+3n}+2n}}\) (różny od zera), brakujący do wzoru skróconego mnożenia na różnicę kwadratów \(\left(a-b\right)\cdot\left(a+b\right)=a^2-b^2\). Wtedy \[\eqalign{\lim\limits_{n\to\infty}&{\frac{n}{\sqrt{n^2+3n}-2n}} \overset{\zielony{\left[\frac{\infty}{\infty-\infty}\right]}}{=} \lim\limits_{n\to\infty}{{\frac{n\cdot \czerwony{\boldsymbol{\left(\sqrt{n^2+3n}+2n\right)}}}{\left(\sqrt{n^2+3n}-2n\right)\cdot \czerwony{\boldsymbol{\left(\sqrt{n^2+3n}+2n\right)}}}}}= \cr &= \lim\limits_{n\to\infty}{{\frac{n\cdot \left(\sqrt{n^2+3n}+2n\right)}{{\left(\sqrt{n^2+3n}\right)}^2-4n^2}}}=\lim\limits_{n\to\infty}{{\frac{n\cdot \left(\sqrt{n^2+3n}+2n\right)}{n^2+3n-4n^2}}}= \cr &= \lim\limits_{n\to\infty}{{\frac{n\cdot \left(\sqrt{n^2+3n}+2n\right)}{3n-3n^2}}}= \lim\limits_{n\to\infty}{{\frac{{\ccancel{\fioletowy}{n}}\cdot \left({\gcancelto{\niebieski}{\infty}{\sqrt{n^2+3n}}}+{\gcancelto{\niebieski}{\infty}{2n}}\right)} {{\ccancel{\fioletowy}{n}}\cdot\left(3-{\dcancelto{\niebieski}{\infty}{3n}}\right)}}}= {\zielony{\left[\infty\over -\infty\right]}}\cr }\] Ponieważ ponownie otrzymaliśmy wyrażenie nieoznaczone \(\left[\infty\over -\infty\right]\), więc musimy wykonać kolejne przekształcenia, zmierzające do skrócenia czynnika \(n\) \(\left(n\neq 0\textrm{ dla }n\in \mathbb{N}\right)\), który wyłączymy przed nawias w liczniku i mianowniku. Najpierw jednak wyłączymy ten czynnik spod pierwiastka stopnia drugiego \[\eqalign{\overset{\zielony{\left[\frac{\infty}{-\infty}\right]}}{=}& \lim\limits_{n\to\infty}{\sqrt{n^2\left(1+{3\over n}\right)}+2n\over 3-3n} = \lim\limits_{n\to\infty}{n\sqrt{1+{3\over n}}+2n\over 3-3n}= \cr &=\lim\limits_{n\to\infty}{{\ccancel{\fioletowy}{n}}\left(\sqrt{1+{\gcancelto{\czerwony}{0}{3\over n}}}+2\right) \over {\ccancel{\fioletowy}{n}}\left({\dcancelto{\czerwony}{0}{3\over n}}-3\right)}= -{3\over 3}=-1\cr}\]
  6. \(\displaystyle\lim_{n\rightarrow \infty}{\frac{1}{\sqrt{n^6+8n^3+2}-n^3}}\)
    Ustalamy symbol wyrażenia \[\lim_{n\rightarrow \infty}{\frac{1}{\sqrt{n^6+8\cdot n^3+2}-n^3}}=\zielony{\left[\frac{1}{\infty-\infty}\right]}\] Przekształcimy \(n\)-ty wyraz tego ciągu, mnożąc go i dzieląc przez dodatni czynnik \(\czerwony{\boldsymbol{\sqrt{n^6+8n^3+2}+n^3}}\) brakujący do wzoru skróconego mnożenia na różnicę kwadratów \(\left(a-b\right)\left(a-b\right)=a^2-b^2\). Wówczas \[\eqalign{\lim_{n\rightarrow \infty}&{\frac{1}{\sqrt{n^6+8n^3+2}-n^3}}\overset{\zielony{\left[\frac{1}{\infty-\infty}\right]}}{=}\cr &\overset{\zielony{\left[\frac{1}{\infty-\infty}\right]}}{=}\lim_{n\rightarrow \infty}{\czerwony{\boldsymbol{\sqrt{n^6+8 n^3+2}+n^{3}}}\over \left({\sqrt{n^6+8n^3+2}-n^3}\right)\czerwony{\boldsymbol{\left({\sqrt{n^6+8n^3+2}+n^3}\right)}}}=\cr &= \lim_{n\rightarrow \infty}{{\sqrt{n^6+8n^3+2}+n^3}\over {n^6+8n^3+2}-n^{6}} =\zielony{\left[{\infty\over \infty}\right]}\buildrel{\boldsymbol *}\over{=} \cr}\] Pod pierwiastkiem wyłączamy przed nawias \(n^6\), a następnie wyłączamy je spod pierwiastka \[\buildrel{\boldsymbol *}\over{=}\lim_{n\rightarrow \infty}{\sqrt{{n^6}\left(1+{\frac{8}{n^3}}+{\frac{2}{n^6}}\right)}+n^{3}\over {8n^3+2}}=\lim_{n\rightarrow \infty}{n^{3}\sqrt{1+{\frac{8}{n^3}}+{\frac{2}{n^6}}}+n^{3}\over {8n^3+2}}\buildrel{\boldsymbol {**}}\over{=}\] Dzielimy licznik i mianownik przez \(n^3\) (\(n^3\neq 0\)) i otrzymujemy\[\buildrel{\boldsymbol {**}}\over{=}\lim_{n\rightarrow \infty}{\sqrt{1+\gcancelto{\czerwony}{0}{\frac{8}{n^3}}+\gcancelto{\czerwony}{0}{\frac{2}{n^6}}}+1\over {8}+\dcancelto{\czerwony}{0}{\frac{2}{n^3}}}={1+1\over {8}}={\frac{1}{4}}\]
W poniższym zadaniu pokażemy, jak obliczyć granicę ciągu o symbolu nieoznaczonym \(\left[\frac{\infty}{\infty}\right]\), w którym występują funkcje wykładnicze. Wykorzystamy do tego celu własności działań na potęgach.
Zadanie
Oblicz granice:
  1. \(\displaystyle \lim_{n\rightarrow \infty}{2^n+3^n+4^n\over 3^n+5^n}\)
    Ustalamy symbol wyrażenia \[\lim\limits_{n\to\infty}{2^n+3^n+4^n\over 3^n+5^n}= {\zielony{\left[\infty\over\infty\right]}}\] Skoro otrzymaliśmy wyrażenie nieoznaczone \(\left[\infty\over\infty\right]\), to musimy wykonać odpowiednie przekształcenie. Ponieważ mianownik tego ciągu tworzą funkcje wykładnicze \(3^n\) oraz \(5^n\), to wystarczy w liczniku i w mianowniku wyłączyć przed nawias czynnik \(5^n\) \(\left(5^n\neq 0\right)\), gdyż taka jest funkcja wykładnicza o największej podstawie, stojąca w mianowniku tego ciągu. Wówczas \[\eqalign{\lim\limits_{n\to\infty}& {2^n+3^n+4^n\over 3^n+5^n}\overset {\zielony{\left[\infty\over\infty\right]}}{=} \lim\limits_{n\to\infty}{\frac{{\ccancel{\fioletowy}{5^n}}\left({2^n\over 5^n}+{3^n\over 5^n}+{4^n\over 5^n}\right)} {{\ccancel{\fioletowy}{5^n}}\left({3^n\over 5^n}+{5^n\over 5^n}\right)}}= \cr&= \lim\limits_{n\to\infty}{{\gcancelto{\czerwony}{0}{\left({2\over 5}\right)^n}}+ {\gcancelto{\czerwony}{0}{\left({3\over 5}\right)^n}}+{\gcancelto{\czerwony}{0}{\left({4\over 5}\right)^n}}\over {\dcancelto{\czerwony}{0}{\left({3\over 5}\right)^n}}+1}={0\over 1}=0\cr}\]
  2. \(\displaystyle \lim_{n\rightarrow \infty}{2\cdot 3^n+5\cdot 4^n+4\cdot 7^n\over 2^n+5\cdot 7^n}\)
    Ustalamy symbol wyrażenia \[\lim\limits_{n\to\infty}{2\cdot 3^n+5\cdot 4^n+4\cdot 6^n\over 2^n+5\cdot 7^n}= {\zielony{\left[\infty\over\infty\right]}}\] Skoro otrzymaliśmy wyrażenie nieoznaczone \(\left[\infty\over\infty\right]\), to musimy wykonać odpowiednie przekształcenie. Ponieważ mianownik tego ciągu tworzą funkcje wykładnicze \(2^n\) oraz \(7^n\), to wystarczy w liczniku i w mianowniku wyłączyć przed nawias czynnik \(7^n\) \(\left(7^n\neq 0\right)\), gdyż taka jest funkcja wykładnicza o największej podstawie, stojąca w mianowniku tego ciągu. Wówczas \[\eqalign{\lim\limits_{n\to\infty}&{2\cdot 3^n+5\cdot 4^n+4\cdot 7^n\over 2^n+5\cdot 7^n} \overset{\zielony{\left[\infty\over\infty\right]}}{=} \lim\limits_{n\to\infty}{{\ccancel{\fioletowy}{7^n}}\left(2\cdot {3^n\over 7^n}+5\cdot {4^n\over 7^n} +4\cdot {7^n\over 7^n}\right) \over {\ccancel{\fioletowy}{7^n}}\left({2^n\over 7^n}+5\cdot {7^n\over 7^n}\right)}= \cr&= \lim\limits_{n\to\infty}{2\cdot {\gcancelto{\czerwony}{0}{\left({3\over 7}\right)^n}}+ 5\cdot {\gcancelto{\czerwony}{0}{\left({4\over 7}\right)^n}}+4 \over {\dcancelto{\czerwony}{0}{\left({2\over 7}\right)^n}}+5}={4\over 5}\cr}\]
  3. \(\displaystyle \lim_{n\rightarrow \infty}{4^{n+1}+2\cdot 3^{n-1}\over 2^{n+2}+2\cdot 3^n}\)
    Ustalamy symbol wyrażenia \[\lim\limits_{n\to\infty}{4^{n+1}+2\cdot 3^{n-1}\over 2^{n+2}+2\cdot 3^n}={\zielony{\left[\infty\over\infty\right]}}\] Ponieważ otrzymaliśmy wyrażenie nieoznaczone \(\left[\infty\over\infty\right]\), to przekształcamy ciąg, wyłączając przed nawias w liczniku i w mianowniku czynnik \(3^n\) \(\left(3^n\neq 0\right)\), gdyż taka jest funkcja wykładnicza o największej podstawie, stojąca w mianowniku tego ciągu. Wówczas \[\eqalignno{\lim\limits_{n\to\infty}&{4^{n+1}+2\cdot 3^{n-1}\over 2^{n+2}+2\cdot 3^n} \overset{\zielony{\left[\infty\over\infty\right]}}{=} \lim\limits_{n\to\infty}{4^n\cdot 4+2\cdot 3^n\cdot {1\over 3}\over 2^n\cdot 4+2\cdot 3^n}= \lim\limits_{n\to\infty}{\frac{{\ccancel{\fioletowy}{3^n}}\left(4\cdot {4^n\over 3^n}+ {2\over 3}\cdot {3^n\over 3^n}\right)} {{\ccancel{\fioletowy}{3^n}}\left(4\cdot {2^n\over 3^n}+2\cdot {3^n\over 3^n}\right)}}=\cr &= \lim\limits_{n\to\infty}{4\cdot {\gcancelto{\niebieski}{\infty}{\left({4\over 3}\right)^n}} +{2\over 3}\over 4\cdot{\dcancelto{\czerwony}{0}{\left({2\over 3}\right)^n}}+2}= {\zielony{\left[\infty\over 2\right]}}=\infty\cr}\]
  4. \(\displaystyle \lim\limits_{n\to\infty}{\frac{5\cdot4^{n+1}-1}{{3}^{n+1}+4^{n}}}\)
    Ustalamy symbol wyrażenia \[\lim\limits_{n\to\infty}{5\cdot4^{n+1}-1\over 3^{n+1}+4^n}={\zielony{\left[\infty\over\infty\right]}}\] Otrzymaliśmy wyrażenie nieoznaczone \(\left[\infty\over\infty\right]\), więc przekształcamy ciąg, wyłączając przed nawias w liczniku i w mianowniku czynnik \(4^n\) \(\left(4^n\neq 0\right)\). Wtedy \[\eqalign{\displaystyle \lim\limits_{n\to\infty}&{5\cdot4^{n+1}-1\over 3^{n+1}+4^n} \overset{\zielony{\left[\infty\over\infty\right]}}{=} \lim\limits_{n\to\infty}{5\cdot 4^n\cdot 4-1\over 3^n\cdot 3+4^n}= \lim\limits_{n\to\infty}{{{\ccancel{\fioletowy}{4^n}}\left(20\cdot{{4^n}\over 4^{n}}- {1\over 4^{n}}\right)} \over {{\ccancel{\fioletowy}{4^n}}\left(3\cdot {{{3}^n}\over {4^{n}}}+{{4^{n}}\over {4^{n}}}\right)}}=\cr&= \lim\limits_{n\to\infty}{{{20-{\gcancelto{\czerwony}{0}{{\left(1\over 4\right)}^{n}}}}} \over {{{3\cdot{\dcancelto{\czerwony}{0}{{\left(3\over 4\right)}^{n}}}}}+{{1}}}}={{20}\over {1}}={20}\cr}\]
  5. \(\displaystyle \lim\limits_{n\to\infty}{\frac{3\cdot4^{n+1}-5}{{3}^{n-1}-2^{n}}}\)
    Ustalamy symbol wyrażenia \[\lim\limits_{n\to\infty}{3\cdot4^{n+1}-5\over 3^{n-1}-2^n}= {\zielony{\left[\frac {\infty }{\infty - \infty}\right]}}\] Otrzymaliśmy wyrażenie nieoznaczone \(\left[\frac {\infty }{\infty - \infty}\right]\), więc przekształcamy ciąg, wyłączając przed nawias w liczniku i w mianowniku czynnik \(3^n\) \(\left(3^n\neq 0\right)\). Wtedy \[\eqalign{ \lim\limits_{n\to\infty}&{3\cdot4^{n+1}-5\over 3^{n-1}-2^n} \overset{\zielony{\left[\frac {\infty }{\infty - \infty}\right]}}{=} \lim\limits_{n\to\infty}{3\cdot4^n\cdot 4-5 \over 3^n\cdot {1\over 3}-2^n}= \lim\limits_{n\to\infty}{{\ccancel{\fioletowy}{3^n}}\left(12\cdot {4^n\over 3^n}-{5\over 3^n}\right) \over {\ccancel{\fioletowy}{3^n}}\left({1\over 3}\cdot {3^n\over 3^n} -{2^n\over 3^n}\right)}=\cr&= \lim\limits_{n\to\infty}{12\cdot {\gcancelto{\niebieski}{\infty}{\left({4\over 3}\right)^n}}- 5\cdot{\gcancelto{\czerwony}{0}{\left({1\over 3}\right)^n}} \over {1\over 3} -{\dcancelto{\czerwony}{0}{\left({2\over 3}\right)^n}}}= {\zielony{\left[\infty\over 1\right]}}=\infty\cr }\]
W poniższym zadaniu pokażemy, jak obliczyć granicę ciągu o symbolu nieoznaczonym \(\left[\frac{\infty}{\infty}\right]\), w którym występują silnie oraz sumy początkowych wyrazów ciągu arytmetycznego lub geometrycznego. Wykorzystamy do tego celu własności silni oraz wzory na sumę początkowych wyrazów ciągu arytmetycznego lub ciągu geometrycznego.
Zadanie
Oblicz granice:
  1. \(\displaystyle \lim\limits_{n\to\infty}{\frac{n!-\left(n+2\right)!}{\left(n+1\right)!}}\)
    Ustalamy symbol wyrażenia \[\displaystyle \lim\limits_{n\to\infty}{\frac{n!-\left(n+2\right)!}{\left(n+1\right)!}}= {\zielony{\left[\infty-\infty\over\infty\right]}}\] Ponieważ otrzymaliśmy symbol nieoznaczony \(\left[\infty-\infty\over\infty\right]\), to przekształcamy \(n\)-ty wyraz ciągu, rozbijając go na dwa ułamki i korzystając z własności silni. Wtedy \[\eqalign{\lim\limits_{n\to\infty}&{\frac{n!-\left(n+2\right)!}{\left(n+1\right)!}} \overset{\zielony{\left[\infty-\infty\over\infty\right]}}{=} \lim\limits_{n\to\infty}{\left[{{n!}\over {\left(n+1\right)!}}-{{\left(n+2\right)!}\over {\left(n+1\right)!}}\right]}= \cr &= \lim\limits_{n\to\infty}{\left[{{\cancel{n!}}\over {{\cancel{n!}}\cdot \left(n+1\right)}}- {{{\ccancel{\fioletowy}{\left(n+1\right)!}}\cdot {\left(n+2\right)}}\over {\ccancel{\fioletowy}{\left(n+1\right)!}}}\right]}=\cr &= \lim\limits_{n\to\infty}{\left({\gcancelto{\czerwony}{0}{{\frac {1}{n+1}}}}-{\gcancelto{\niebieski}{+\infty}{{{n+2}\over {1}}}}\right)}= {\zielony{\left[0-\infty\right]}}=-\infty\cr }\]
  2. \(\displaystyle\lim_{n\rightarrow \infty} \frac{1+2+3+\ldots +({n+2})}{\sqrt{4n^4+3}}\)
    Ustalamy symbol wyrażenia \[\displaystyle \lim\limits_{n\to\infty} \frac{1+2+3+\ldots +({n+2})}{\sqrt{4n^4+3}}= {\zielony{\left[\infty\over\infty\right]}}\] Ponieważ otrzymaliśmy symbol nieoznaczony \(\left[\infty\over\infty\right]\), to musimy przekształcić \(n\)-ty wyraz ciągu. Widzimy, że w jego liczniku znajduje się suma \(n+2\) początkowych wyrazów ciągu arytmetycznego, którą możemy zapisać w postaci \[1+2+3+\ldots +({n+2})={1+({n+2})\over 2}\cdot ({n+2})={({n+3}) ({n+2})\over 2}\] Zatem \[\eqalign{\lim_{n\rightarrow \infty}&\frac{1+2+3+\ldots +({n+2})}{\sqrt{4n^4+3}}=\lim_{n\rightarrow \infty}\frac{({n+3}) ({n+2})}{2\sqrt{4n^4+3}}\overset{\textstyle \zielony{\left[\frac{\infty}{\infty}\right]}}{=}\cr &=\lim_{n\rightarrow \infty}\frac{({n+3}) ({n+2})}{2\sqrt{{n^4}\left({4}+{\frac{3}{n^4}}\right)}}=\lim_{n\rightarrow \infty}\frac{({n+3}) ({n+2})}{2n^2\sqrt{{4}+{\frac{3}{n^4}}}}=\cr &\overset{\czerwony{\boldsymbol{*}}}{=}\lim_{n\rightarrow \infty}\left[\gcancelto{\czerwony}{\frac{1}{2}}{\frac{{n^2+5n+6}}{ {2n^2}}} \cdot \frac{1}{\sqrt{{4}+\dcancelto{\czerwony}{0}{\frac{3}{n^4}}}}\right]=\frac{1}{2\sqrt{4}}={\frac{1}{4}}\cr}\] W miejscu oznaczonym \(\czerwony{\boldsymbol{*}}\) skorzystaliśmy z faktu, że stopień licznika jest równy stopniowi mianownika.
  3. \(\displaystyle \lim\limits_{n\to\infty}{1+2+3+\dots +({n+1})\over \left(n+2\right)!}\)
    Ustalamy symbol wyrażenia \[\displaystyle \lim\limits_{n\to\infty}{1+2+3+\dots +({n+1})\over \left(n+2\right)!}= {\zielony{\left[\infty\over\infty\right]}}\] Ponieważ otrzymaliśmy symbol nieoznaczony \(\left[\infty\over\infty\right]\), to musimy przekształcić \(n\)-ty wyraz ciągu. Widzimy, że w jego liczniku znajduje się suma \(n+1\) początkowych wyrazów ciągu arytmetycznego, którą możemy zapisać w postaci \[1+2+3+\dots +{\left(n+1\right)}={{\left(1+n+1\right)}\over 2}\cdot \left(n+1\right)={({n+2}) ({n+1})\over 2}\] Zatem \[\eqalignno{\lim_{n\rightarrow \infty}&{1+2+3+\ldots +({n+1})\over \left(n+2\right)!} \overset{\zielony{\left[\infty\over\infty\right]}}{=} \lim_{n\rightarrow \infty}{({n+2}) ({n+1})\over 2\left(n+2\right)!}= \cr &= \lim_{n\rightarrow \infty}{({n+2}) ({n+1})\over 2\cdot n!\cdot \left(n+1\right)\cdot \left(n+2\right)}=\cr &= \lim_{n\rightarrow \infty}{{\ccancel{\fioletowy}{({n+2})}} \cancel{({n+1})}\over 2\cdot n!\cdot \cancel{\left(n+1\right)}\cdot {\ccancel{\fioletowy}{\left(n+2\right)}}}= \lim_{n\rightarrow \infty}{\gcancelto{\czerwony}{0}{1\over 2\cdot n!}}=0\cr}\]
  4. \(\displaystyle \lim\limits_{n\to\infty}{\frac{1+2+3+\dots +n}{3+2n}}\)
    Ustalamy symbol wyrażenia \[\lim\limits_{n\to\infty}{\frac{1+2+3+\dots +n}{3+2n}}={\zielony{\left[\infty\over\infty\right]}}\] Ponieważ otrzymaliśmy symbol nieoznaczony \(\left[\infty\over\infty\right]\), to musimy przekształcić \(n\)-ty wyraz ciągu. Widzimy, że w jego liczniku znajduje się suma \(n\) początkowych wyrazów ciągu arytmetycznego, którą możemy zapisać w postaci \[1+2+3+\dots +n=\frac{\left(1+n\right)}{2}\cdot n=\frac{\left(1+n\right)\cdot n}{2}\] Zatem \[\eqalign{\lim_{n\rightarrow \infty}&{1+2+3+\ldots +n\over 3+2n} \overset{\zielony{\left[\infty\over\infty\right]}}{=} \lim\limits_{n\to\infty}{\frac{\left(1+n\right)\cdot n}{2\left(3+2n\right)}}= \lim\limits_{n\to\infty}{\frac{n+n^2}{6+4n}}\overset{\czerwony{\boldsymbol{*}}}{=}\infty\cr}\] W miejscu oznaczonym \(\czerwony{\boldsymbol{*}}\) skorzystaliśmy z faktu, że stopień licznika jest większy niż stopień mianownika.
  5. \(\displaystyle \lim_{n\rightarrow \infty} \frac{\frac{1}{2}+\frac{1}{ 4}+\frac{1}{8}+\dots +\frac{1}{2^n}}{1+3+5+\dots +(2n-1)}\)
    Zanim ustalimy symbol wyrażenia, zauważmy, że w jego liczniku znajduje się suma \(n+1\) początkowych wyrazów ciągu geometrycznego \[\frac{1}{2}+\frac{1}{ 4}+\frac{1}{8}+\dots +\frac{1}{2^n}={\ccancel{\fioletowy}{\frac{1}{2}}}\cdot \frac{1-\left(1\over 2\right)^{n}}{\ccancel{\fioletowy}{1-{1\over 2}}}= 1-\left(1\over 2\right)^{n},\] a w mianowniku – suma \(n\) początkowych wyrazów ciągu arytmetycznego \[1+3+5+\dots +(2n-1)=\frac{1+ (2n-1)}{2}\cdot n=n^2\] Zatem \[\eqalign{\lim_{n\rightarrow \infty}& \frac{\frac{1}{2}+\frac{1}{ 4}+\frac{1}{8}+\dots +\frac{1}{2^n}}{1+3+5+\cdots +(2n-1)}= \lim_{n\rightarrow \infty}{1-\gcancelto{\czerwony}{0}{\left({\frac{1}{2}}\right)^{n}} \over \dcancelto{\niebieski}{\infty}{n^2}}=\zielony{\left[{{1}\over \infty}\right]}=0 \cr}\]
  6. \(\displaystyle \lim\limits_{n\to\infty} \frac{2^n-3^n}{1+2+4+8+\dots +2^n}\)
    Zanim ustalimy symbol wyrażenia, zauważmy, że w jego mianowniku znajduje się suma \(n+1\) początkowych wyrazów ciągu geometrycznego, którą możemy zapisać w postaci \[1+2+4+8+\dots +2^n=1\cdot\frac{1-2^{n+1}}{1-2}=2^{n+1}-1\] Zatem \[\eqalign{\lim\limits_{n\to\infty}&\frac{2^n-3^n}{1+2+4+8+\dots +2^n}= \lim\limits_{n\to\infty} \frac{2^n-3^n}{2^{n+1}-1} \overset{\zielony{\left[\infty-\infty\over \infty\right]}}{=} \cr& \overset{\zielony{\left[\infty-\infty\over \infty\right]}}{=} \lim\limits_{n\to\infty} \frac{\ccancel{\fioletowy}{2^n}\left({2^n\over 2^n}-{3^n\over 2^n}\right)} {\ccancel{\fioletowy}{2^n}\left({2^{n+1}\over 2^n}-{1\over 2^n}\right)} = \lim\limits_{n\to\infty} \frac{1-{\gcancelto{\niebieski}{\infty}{\left({3\over 2}\right)^n}}}{2-{\gcancelto{\czerwony}{0}{\left({1\over 2}\right)^n}}} \overset {\zielony{\left[{1-\infty}\over 2\right]}}{=}-\infty\cr }\]