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求解疑似1^∞型极限:limₙ→∞ [(2n)! / (n!nⁿ)]^(1/n)

求解疑似1^∞型极限:limₙ→∞ [(2n)! / (n!nⁿ)]^(1/n)

嗨,我来帮你搞定这个极限问题!你一开始觉得这是1^∞型,想用快捷技巧,但其实这个技巧的正确形式你没掌握对,而且咱们换个更稳妥的思路——用斯特林公式(处理阶乘极限的神器)来解会更清晰。

方法一:斯特林公式直接代入

斯特林公式是阶乘的渐近近似,对大n成立:
$$n! \sim \sqrt{2\pi n} \left(\frac{n}{e}\right)^n$$

我们把$(2n)!$和$n!$都用这个公式替换:

  • $(2n)! \sim \sqrt{4\pi n} \left(\frac{2n}{e}\right)^{2n}$
  • $n! \sim \sqrt{2\pi n} \left(\frac{n}{e}\right)^n$

现在计算原式里的核心部分$\frac{(2n)!}{n!n^n}$:
$$
\frac{(2n)!}{n!n^n} \sim \frac{\sqrt{4\pi n} \left(\frac{2n}{e}\right)^{2n}}{\sqrt{2\pi n} \left(\frac{n}{e}\right)^n \cdot n^n}
$$

逐项化简:

  1. 根号部分:$\frac{\sqrt{4\pi n}}{\sqrt{2\pi n}} = \sqrt{2}$
  2. 指数部分:$\left(\frac{2n}{e}\right)^{2n} = \frac{2{2n}n{2n}}{e{2n}}$,分母里的$\left(\frac{n}{e}\right)n \cdot n^n = \frac{nn}{en} \cdot n^n = \frac{n{2n}}{en}$,两者相除得$\frac{2{2n}}{en} = \left(\frac{4}{e}\right)^n$

所以整体化简后:
$$
\frac{(2n)!}{n!n^n} \sim \sqrt{2} \cdot \left(\frac{4}{e}\right)^n
$$

接下来取$\frac{1}{n}$次方:
$$
\left(\frac{(2n)!}{n!nn}\right){\frac{1}{n}} \sim \left(\sqrt{2} \cdot \left(\frac{4}{e}\right)n\right){\frac{1}{n}} = (\sqrt{2})^{\frac{1}{n}} \cdot \frac{4}{e}
$$

当$n\to\infty$时,$(\sqrt{2})^{\frac{1}{n}} \to 1$(任何正实数的0次方为1),所以最终极限是:
$$
\lim_{n\to \infty} \left(\frac{(2n)!}{n!nn}\right){\frac{1}{n}} = \frac{4}{e}
$$

方法二:先取对数再计算(验证结果)

咱们也可以用取对数的方法来验证,避免近似公式的疑惑:
设$A = \frac{(2n)!}{n!n^n}$,原极限就是$\lim_{n\to\infty} A^{\frac{1}{n}}$,等价于$\exp\left(\lim_{n\to\infty} \frac{\ln A}{n}\right)$

计算$\ln A = \ln(2n)! - \ln(n!) - n\ln n$,用斯特林公式的对数形式$\ln(n!) \sim n\ln n -n + \frac{1}{2}\ln(2\pi n)$:

  • $\ln(2n)! \sim 2n\ln(2n) -2n + \frac{1}{2}\ln(4\pi n) = 2n\ln2 + 2n\ln n -2n + \ln2 + \frac{1}{2}\ln\pi + \frac{1}{2}\ln n$
  • $\ln(n!) \sim n\ln n -n + \frac{1}{2}(\ln2 + \ln\pi + \ln n)$

代入$\ln A$后逐项抵消化简,最终得到:
$$
\ln A \sim n(2\ln2 -1) + \frac{1}{2}\ln2
$$

两边除以n再取极限:
$$
\lim_{n\to\infty} \frac{\ln A}{n} = 2\ln2 -1 = \ln4 - \ln e = \ln\left(\frac{4}{e}\right)
$$

所以原极限为$\exp\left(\ln\left(\frac{4}{e}\right)\right) = \frac{4}{e}$,和方法一结果一致。

关于你用的“猴子技巧”的说明

你提到的1^∞型极限技巧,正确的转化形式是:如果$\lim f(n){g(n)}$是1∞型,那么$\lim f(n)^{g(n)} = \exp\left(\lim g(n)(f(n)-1)\right)$,你直接把指数提出来变成$\frac{1}{n}\lim(f(n)-1)$是错误的,少了外层的指数函数。不过就算用这个方法,直接计算$\lim \frac{A-1}{n}$会比较麻烦,不如上面的方法直接。

备注:内容来源于stack exchange,提问作者Harikrishnan M

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