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Evaluación de una fracción continua lenta

Puzzle pregunta... yo sé cómo resolverlo, y publicará mi solución, si es necesario; pero quien lo desee puede participar en el espíritu de venir para arriba con soluciones elegantes en lugar de tratar de enseñarme cómo resolverlo. [parafraseado de Lone Alumno]

Evaluar la continuación de la fracción $$ 1+\cfrac{-5}{13+\cfrac{-128}{37+\cfrac{-693}{73+\cfrac{-2240}{121+\ddots}}}}= b_0+\cfrac{a_1}{b_1+\cfrac{a_2}{b_2+\cfrac{a_3}{b_3+\cfrac{a_4}{b_4+\ddots}}}} $$ donde $b_n = 6n^2+6n+1$, $a_n=4n^2-9n^4$.

Puede usted determinar si converge, y si es así encontrar su valor? Los cálculos numéricos sugieren que converge muy lentamente.

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Anthony Cramp Puntos 126

Queremos aplicar la generación de la función de método con Hayman del método para determinar asymptotics de los coeficientes, como en ENLACE.

Vamos $$\begin{align*} p_n &= (6n^2+6n+1) p_{n-1}+(4n^2-9n^4) p_{n-2}, \quad p_{-1} = 1, \quad p_0=1, \\ q_n &= (6n^2+6n+1) q_{n-1}+(4n^2-9n^4)q_{n-2}, \quad q_{-1} = 0, \quad q_0=1, \\ r_n &= \frac{p_n}{q_n}. \end{align*}$$ Por lo que el $r_n$ son los convergents de la continuación de la fracción: $$ r_0 = 1,\quad r_1 = 1+\cfrac{-5}{13},\quad r_2 = 1+\cfrac{-5}{13+\cfrac{-128}{37}},\quad r_3 = 1+\cfrac{-5}{13+\cfrac{-128}{37+\cfrac{-693}{73}}}, $$

Ahora un problema es que la generación de funciones $$ \sum_{n=0}^\infty p_n x^n,\qquad\text{y}\qquad \sum_{n=0}^\infty p_n \frac{x^n}{n!} $$ ambos tienen radio de convergencia a cero. Así que no son buenos en Hayman del método. Así que vamos a utilizar "Bessel" funciones de generación $$ f(x) = \sum_{n=0}^\infty p_{n-1}\frac{x^n} {n!)^2},\qquad g(x) = \sum_{n=0}^\infty q_{n-1}\frac{x^n} {n!)^2} . $$

El uso de la recurrencia para calcular las ecuaciones diferenciales de estas satisfacer. Son $$\begin{align*} L[f]&=0,\qquad f(0)=1,\qquad f'(0)=1, \tag{1} \\ L[g]&=1,\qquad g(0)=0,\qquad g'(0)=1, \tag{2} \end{align*}$$ donde de segundo orden lineal diferencial operador $L$ está dado por $$ L[\phi](x) = x(1-3x)^2 \phi(x)+(1-3x)(1-9x)\phi'(x)+(-1+5x)\phi(x) $$ Ahora la solución de (1) es $$ f(x) = (1-3x)^{-1/3} = 1 + x + 2 x^2 + \frac{14}{3} x^3 + \frac{35}{3} x^4 +O(x^5) . $$ El coeficiente de muestra $$ p_{n-1} \sim \frac{(n!)^2 3^n n^{-2/3}}{\Gamma(1/3)} $$ Con la ayuda de Maple, puedo obtener la solución de (2) como $$ g(x) = \frac{3}{2}(1-3x)^{-2/3} + \sqrt{3}\arctan\left(\frac{1+2(1-3x)^{1/3}}{\sqrt{3}}\right)(1-3x)^{-1/3}- \frac{9+2\pi\sqrt{3}}{6}(1-3x)^{-1/3} $$ y en potencias de $(1-3x)$, $$ g(x) = \frac{3}{2}(1-3x)^{-2/3}- \left(\frac{\pi}{2\sqrt{3}}+\frac{3}{2}\right)(1-3x)^{-1/3}+\frac{3}{2}+ S\left((1-3x)^{1/3}\right) . $$ Ahora tenemos que examinar los coeficientes de a $x=0$ para la serie de Taylor. El primer término tiene un coeficiente dado asintóticamente por $C 3^n n^{-1/3}$. El segundo término por $C 3^n n^{-2/3}$, el término constante por $0$. Así que en total tenemos $$ q_{n-1} \sim C (n!)^2 3^n n^{-1/3} . $$ Así que el convergente $$ r_{n-1} = \frac{p_{n-1}}{q_{n-1}} \sim C n^{-2/3+1/3} $$ va a cero. El valor de la continuidad de la fracción es $0$.

Tenga en cuenta que el diferencial de operador $L$ en términos de $y=1-3x$ es $$ 9y^2(1-y)\phi(x)+9y(2-3y)\phi'(y)+(2-5y)\phi(y) $$ con el polinomio indicial $9r(r-1)+18r+2 = (3r+2)(3r+1)$ raíces $-1/3, -2/3$. Esta es la razón para el tipo de serie que tenemos.

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