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Puede una secuencia de operaciones elementales/algoritmo de dar una específica forma cerrada para una recurrencia de la relación?

Considere la secuencia

$$ a_{n} = \sum _{r=0}^{n} \dfrac{1}{\binom{n}{r}} \tag{*}$$

He demostrado aquí que satisface la relación de recurrencia $$a_{n} = 1 + \left(\dfrac{n+1}{2n}\right) a_{n-1} \tag{$\daga$}$$

Ahora, podemos resolver esto de la recurrencia de la relación mediante la formación de sumas telescópicas por una secuencia de operaciones elementales (suma, multiplicación, las composiciones de funciones elementales , etc.), para obtener una alternativa de forma cerrada.

En particular,

$$\dfrac{2^n}{n+1}a_n - a_1 = \sum_{i=2}^{n} \left(\dfrac{2^r}{r+1} a_{r} - \dfrac{2^{i-1}}{r} a_{i-1} \right) = \sum_{i=2}^{n} \dfrac{2^r}{r+1}$$

Que, después de re-indexación, da la agradable identidad,

$$ \sum_{r=1}^{n} \dfrac{1}{\binom{n}{r}} = \left(\dfrac{n+1}{2^{n+1}}\right) \sum_{r=1}^{n} \dfrac{2^r}{r} $$

Pregunta: ¿Es posible recuperar el original de la forma cerrada $(*)$, sin previo conocimiento de la misma y sólo a partir de la recurrencia de la $(\dagger)$ y algunos valores iniciales, mediante el uso de una secuencia de operaciones elementales (similar a lo que fue hecho por el otro la forma cerrada obtenido aquí)?

Abundando en lo que estoy buscando :

  • Estoy en busca de un algoritmo para obtener $(*)$ de $(\dagger)$, la participación de finito de los métodos combinatorios (primaria operaciones, binomio transforma etc.), así que las Integrales son excluidos.

  • Escribí "sin conocimiento previo" para evitar el uso de ansatz. Los métodos basados en la inducción de asumir el conocimiento previo y se excluyen.

Estoy en busca de un algoritmo general para que pueda ser generalizado a una gran clase de relaciones de recurrencia.

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mathlove Puntos 57124

A partir de la recurrencia $$a_{n} = 1 + \left(\dfrac{n+1}{2n}\right) a_{n-1} $$ ya tienes $$a_n=\frac{n+1}{2^n}\sum_{k=1}^{n+1}\frac{2^{k-1}}{k}$$

Esta respuesta muestra una forma de obtener, a partir de aquí, $$a_n=\sum_{k=0}^{n}\frac{1}{\binom nk}$$


El uso de los siguientes dos lemas (la prueba para el Lema 1 se escribe al final de la respuesta) :

Lema 1 : $\quad\displaystyle\sum_{k=1}^{n+1}\frac{2^{k-1}}{k}=\displaystyle\sum_{k=1}^{n+1}\binom{n+1}{k}\frac{1-(-1)^k}{2k}$

Lema 2 : $\quad (n+1)\displaystyle\int_0^1x^k(1-x)^{n-k}dx=\dfrac{1}{\binom nk}\qquad $ (ver aquí para la prueba)

uno tiene $$\begin{align}a_n&=\frac{n+1}{2^n}\sum_{k=1}^{n+1}\frac{2^{k-1}}{k} \\\\&\stackrel{\text{L. %#%#%}}=\frac{n+1}{2^{n}}\sum_{k=1}^{n+1}\binom{n+1}{k}\frac{1-(-1)^k}{2k} \\\\&=\frac{n+1}{2^{n+2}}\sum_{k=1}^{n+1}\binom{n+1}{k}(1-(-1)^k)\cdot\frac{1-(-1)^k}{k} \\\\&=\frac{n+1}{2^{n+2}}\sum_{k=1}^{n+1}\binom{n+1}{k}(1-(-1)^k)\int_{-1}^1t^{k-1}dt \\\\&=\frac{n+1}{2^{n+2}}\int_{-1}^1\sum_{k=1}^{n+1}\binom{n+1}{k}t^{k-1}(1-(-1)^k)dt \\\\&=\frac{n+1}{2^{n+2}}\int_{-1}^1\frac 1t\sum_{k=0}^{n+1}\binom{n+1}{k}t^k(1-(-1)^k)dt \\\\&=\frac{n+1}{2^{n+2}}\int_{-1}^1\frac 1t\bigg(\sum_{k=0}^{n+1}\binom{n+1}{k}t^k-\sum_{k=0}^{n+1}\binom{n+1}{k}(-t)^k\bigg)dt \\\\&=\frac{n+1}{2^{n+2}}\int_{-1}^{1}\frac{(1+t)^{n+1}-(1-t)^{n+1}}{t} dt \\\\&=(n+1)\int_{1}^{-1}\frac{(1-\frac{1-t}{2})^{n+1}-(\frac{1-t}{2})^{n+1}}{t}\cdot\frac{dt}{-2} \\\\&=(n+1)\int_0^1\frac{(1-x)^{n+1}-x^{n+1}}{1-2x}dx\qquad\quad \left(\text{set %#%#%}\right) \\\\&=(n+1)\int_0^1(1-x)^n\cdot\frac{1-\left(\frac{x}{1-x}\right)^{n+1}}{1-\frac{x}{1-x}}dx \\\\&=(n+1)\int_0^1\sum_{k=0}^{n}x^k(1-x)^{n-k}dx \\\\&=\sum_{k=0}^{n}(n+1)\int_0^1x^k(1-x)^{n-k}dx \\\\&\stackrel{\text{L. %#%#%}}=\sum_{k=0}^{n}\frac{1}{\binom nk}\end{align}$$


Por último, vamos a demostrar Lema 1.

Lema 1 : $1$

La prueba de Lema 1 :

Esta es una prueba por inducción.

Que tiene de $\frac{1-t}{2}=x$ desde $2$.

Suponiendo que se tiene para $\quad\displaystyle\sum_{k=1}^{n+1}\frac{2^{k-1}}{k}=\displaystyle\sum_{k=1}^{n+1}\binom{n+1}{k}\frac{1-(-1)^k}{2k}$ y el uso de

$n=0$ (ver aquí para la prueba)$\displaystyle\sum_{k=1}^{0+1}\frac{2^{k-1}}{k}=1=\displaystyle\sum_{k=1}^{0+1}\binom{0+1}{k}\frac{1-(-1)^k}{2k}$

$n$ (ver aquí para la prueba)$\qquad \displaystyle\sum_{k=0}^{n}\frac{1}{k+1}\binom nk=\frac{2^{n+1}-1}{n+1}\qquad$

uno tiene $$\begin{align}&\sum_{k=1}^{n+2}\binom{n+2}{k}\frac{1-(-1)^k}{2k}-\sum_{k=1}^{n+2}\frac{2^{k-1}}{k} \\\\&=\frac{1-(-1)^{n+2}}{2(n+2)}+\sum_{k=1}^{n+1}\binom{n+2}{k}\frac{1-(-1)^k}{2k}-\sum_{k=1}^{n+2}\frac{2^{k-1}}{k} \\\\&=\frac{1-(-1)^{n+2}}{2(n+2)}+\sum_{k=1}^{n+1}\bigg(\binom{n+1}{k}+\binom{n+1}{k-1}\bigg)\frac{1-(-1)^k}{2k} \\&\qquad\qquad -\bigg(\frac{2^{n+1}}{n+2}+\sum_{k=1}^{n+1}\frac{2^{k-1}}{k}\bigg) \\\\&=\frac{1-(-1)^{n+2}}{2(n+2)}+\sum_{k=1}^{n+1}\binom{n+1}{k}\frac{1-(-1)^k}{2k}+\sum_{k=1}^{n+1}\binom{n+1}{k-1}\frac{1-(-1)^k}{2k} \\&\qquad\qquad -\bigg(\frac{2^{n+1}}{n+2}+\sum_{k=1}^{n+1}\frac{2^{k-1}}{k}\bigg) \\\\&\stackrel{I.H.}=\frac{1-(-1)^{n+2}}{2(n+2)}+\sum_{k=1}^{n+1}\binom{n+1}{k-1}\frac{1-(-1)^k}{2k}-\frac{2^{n+1}}{n+2} \\\\&=\frac{1-(-1)^{n+2}}{2(n+2)}+\frac 12\sum_{k=1}^{n+1}\frac{1}{k}\binom{n+1}{k-1}-\frac 12\sum_{k=1}^{n+1}\frac{(-1)^k}{k}\binom{n+1}{k-1}-\frac{2^{n+1}}{n+2} \\\\&=\frac{1-(-1)^{n+2}}{2(n+2)}+\frac 12\bigg(\sum_{k=1}^{n+2}\frac{1}{k}\binom{n+1}{k-1}-\frac{1}{n+2}\binom{n+1}{n+1}\bigg) \\&\qquad\qquad +\frac 12\bigg(\sum_{k=1}^{n+2}\frac{(-1)^{k-1}}{k}\binom{n+1}{k-1}-\frac{(-1)^{n+1}}{n+2}\binom{n+1}{n+1}\bigg)-\frac{2^{n+1}}{n+2} \\\\&\color{red}{=}\frac{1-(-1)^{n+2}}{2(n+2)}+\frac 12\bigg(\frac{2^{n+2}-1}{n+2}-\frac{1}{n+2}\bigg) \\&\qquad\qquad+\frac 12\bigg(\frac{1}{n+2}-\frac{(-1)^{n+1}}{n+2}\bigg)-\frac{2^{n+1}}{n+2} \\\\&=0\end{align}$$ donde $\qquad\qquad (1)$ fueron utilizados en la igualdad en rojo.$\qquad\displaystyle\sum_{k=0}^{n}\frac{(-1)^k}{k+1}\binom nk=\frac{1}{n+1}\qquad$

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