已知数列{an}\{a_{n}\}是一个首项为a1a_{1},公比q>0q > 0的等比数列,前nn项和为SnS_{n},记Tn=a1+a2+a3+…+a2n−1T_{n}=a_{1}+a_{2}+a_{3}+…+a_{2n-1},求lim⁡n→∞SnTn \lim\limits_{n→∞} \dfrac {S_{n}}{T_{n}} 的值.

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完整解法

1. 写出 $S_n$ 与 $T_n$ 的表达式

已知等比数列 {an}\{a_n\} 的首项为 a1a_1,公比为 q>0q > 0。
前 nn 项和为 SnS_n。
按题意,记 Tn=a1+a2+a3+⋯+a2n−1T_n = a_1 + a_2 + a_3 + \dots + a_{2n-1},即 Tn=S2n−1T_n = S_{2n-1}。

当 q≠1q \neq 1 时:
Sn=a1(1−qn)1−qS_n = \frac{a_1(1 - q^n)}{1 - q}
Tn=S2n−1=a1(1−q2n−1)1−qT_n = S_{2n-1} = \frac{a_1(1 - q^{2n-1})}{1 - q}
则 SnTn=1−qn1−q2n−1\dfrac{S_n}{T_n} = \dfrac{1 - q^n}{1 - q^{2n-1}}。

当 q=1q = 1 时:
Sn=na1,Tn=(2n−1)a1S_n = n a_1, \quad T_n = (2n - 1) a_1

2. 按公比 $q$ 的范围分类讨论求极限

对公比 q>0q > 0 分三种情况讨论:

  1. 当 0<q<10 < q < 1 时:
    当 n→∞n \to \infty 时,qn→0q^n \to 0,q2n−1→0q^{2n-1} \to 0。
    lim⁡n→∞SnTn=lim⁡n→∞1−qn1−q2n−1=1−01−0=1\lim_{n \to \infty} \frac{S_n}{T_n} = \lim_{n \to \infty} \frac{1 - q^n}{1 - q^{2n-1}} = \frac{1 - 0}{1 - 0} = 1

  2. 当 q=1q = 1 时:
    lim⁡n→∞SnTn=lim⁡n→∞na1(2n−1)a1=lim⁡n→∞n2n−1=12\lim_{n \to \infty} \frac{S_n}{T_n} = \lim_{n \to \infty} \frac{n a_1}{(2n - 1) a_1} = \lim_{n \to \infty} \frac{n}{2n - 1} = \frac{1}{2}

  3. 当 q>1q > 1 时:
    将分子分母同除以 q2n−1q^{2n-1}:
    SnTn=q1−n−q1−2n1−q1−2n\frac{S_n}{T_n} = \frac{q^{1-n} - q^{1-2n}}{1 - q^{1-2n}}
    因为 q>1q > 1,当 n→∞n \to \infty 时 q1−n→0q^{1-n} \to 0,q1−2n→0q^{1-2n} \to 0。
    lim⁡n→∞SnTn=0−01−0=0\lim_{n \to \infty} \frac{S_n}{T_n} = \frac{0 - 0}{1 - 0} = 0

答案

当 0<q<10 < q < 1 时,极限值为 11;
当 q=1q = 1 时,极限值为 12\dfrac{1}{2};
当 q>1q > 1 时,极限值为 00。

(注:若 TnT_n 指奇数项之和 a1+a3+⋯+a2n−1a_1+a_3+\dots+a_{2n-1},则当 0<q<10 < q < 1 时极限为 1+q1+q;当 q=1q = 1 时极限为 11;当 q>1q > 1 时极限为 00。)

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