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极限专题(九):运用概率统计和线性代数知识求解极限

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极限的计算在数学中的地位是极其重要的,方法也特别多。有些极限使用微积分的知识可能比较困难,甚至有时候根本无从下手,比如说含有 重积分或者随机变量,亦或者是某些数列极限,但是如果跳出微积分的圈子,观察要求解的极限式,联系其他所学过课程知识,如概率论与数理统计,线性代数等,或许将会是另一番新的天地。

【注】没显示完整的公式请在公式上滑动显示!

一、知识复习 概率论与数理统计

定理1设 是一常数, 是正整数, ,若随机变量 的分布律为

则称随机变量 服从参数为 的泊松分布,记为 且 .

定理2(独立同分布的中心极限定理)设 为一列相互独立相同分布的随机变量,且具有数学期望 和方差 ,则对于任意实数 ,有

其中为标准正态分布的分布函数.定理表明,当 充分大时,有

定理3(强大数定律)设 是一相互独立分布的随机变量序列,且 ,则

定理4(控制收敛定理)设 是随机变量序列, , 可积,且 ,则

线性代数

定义1在线性空间 的一组向量 ,如果存在不全为零的数 ,使

则称向量组 是线性相关的,否则数 全为0时,称它是线性无关

二、运用概率统计知识求解极限

【例1】证明:

【参考解析】:设 为一列相互独立相同分布的随机变量,观察极限式子,根据定理1可知, 服从参数为 的泊松分布,即 ,于是对于每个 有 ,由定理2

【例2】设 ,证明:

【参考解析】:观察可得,所求极限即为

假设 为一列相互独立相同分布的随机变量,且服从 上的均匀分布,则 独立同分布, 独立同分布.则

可得到

定理3可得,

同理可得

又因为 ,且 ,所以 ,所以,即

定理4可得,且由期望的性质可得,

上述两个例题表明:对于一些复杂的数列极限问题,可以构造概率分布模型。涉及多重积分的求取问题,通常是比较困难的,如果再加上极限的求取,那就是难上加难。引入随机变量,利用大数定律,中心极限定理等,作为沟通概率统计与极限的桥梁,从而将问题由复杂变得简单。

三、运用线性代数知识求解极限

【例3】斐波那契数列满足 ,

求 .

【参考解析】:设

则当 时,对于任意的实数 满足 .给出如下定义:若

则 构成实数域上的线性空间.由于序列前两项唯一确定,故 线性无关的充要条件是 与 线性无关,从而 是二维的线性空间.

设等比序列 若 ,则

即 . 解得

由于 线性无关,故 可以表示为它们的线性组合,即

满足

从而

因为 ,于是

【例4】设 ,

求 .

【参考解析】:设

例3依然给出定义:

则它们组成复数域上的三维线性空间.设等比序列 若 ,则

于是 , 解得

且 是线性无关的.于是 可以表示为它们的线性组合,即

由欧拉公式可得,

由初始条件可得

解得

于是得到,

上面两个例子表明:一些迭代数列的极限若用微积分的方法是很难求的,但是从线性代数的角度考虑,将迭代数列作为一个线性空间,或许问题可以得到有效解决。方法的实质就是找到线性空间的基底,但是基底又不是唯一的,本文的找的是等比数列 作为基底,因此基底找得好,问题的解决也就简单了。上述例题研究的是二维与三维的情况,一些更复杂的数列极限也可以用多维代数来解决。

四、总结

高等数学,线性代数,概率论与数理统计是三大数学基础公共课,但是这三者并不是独立的,而是内在相通的,比如,线性非齐次方程组和线性非齐次微分方程的解的结构,概率统计极限理论等等。部分考研数学题往往将三科知识融合在一道题里面进行考察。但求解极限的方法非常多,比如洛必达,等价无穷小等等,本文介绍的只是具有特殊形式的极限,只能应用在一些特殊的题目类型当中,而且其思路也是非常的巧秒,因此掌握基本的求解极限的方法才是我们考研数学的重点。

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