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Conjetura: $\lim\limits_{x\to 0}(x!\,x!!\,x!!!\,x!!!!\cdots )^{-1/x}\stackrel?=e$

Bueno, es una conjetura, así que permítanme proponerla:

$$\lim_{x\to 0}(x!\,x!!\,x!!!\,x!!!!\cdots)^{-1/x}\stackrel?=e$$

Donde uso la notación desmos y $x!! := ((x!)!,x!!!=(((x!)!)!)$


Parece tan difícil que no tengo ninguna pista para mostrarlo. Ya sé que

$$x!^{\frac{-1}{x}}=e^{\gamma}$$

Tal vez podamos utilizar el Teorema de factorización de Weierstrass y calcularlo. Entonces, ¿cómo (des)demostrarlo?

Investigación adicional :

Si suponemos que las siguientes funciones son convexas en $(0,1)$ :

$$a_1(x)=x!,a_2=x!!,\cdots,a_n=x!!\cdots !$$

Entonces podemos reescribir el límite conjeturado como :

$$L=\lim_{x\to 0}\left((a_1'(0)x+1)(a_2'(0)x+1)\cdots(a'_n(0)x+1)\cdots\right)^{\frac{-1}{x}}=^?e$$

Dónde :

$$a_1'(0)=\gamma,a_2'(0)=(\gamma-1)\gamma,a_3'(0)=-(\gamma-1)^2\gamma,a_4'(0)=(\gamma-1)^3\gamma,\cdots\tag{I}$$

Actualización :

Parece que tenemos :

$$\lim_{x\to 0^+}\left(x!x!!x!!!x!!!!x!!!!!...\right)^{\frac{2^{x}-1}{x^{2}}}=1/2$$

Actualización $2$ :

Utilizando $I$ y el hecho de que (véase la respuesta de Robjohn) :

$$\sum_{n=1}^\infty\gamma(1-\gamma)^{n-1}=1$$

Y :

Sea $x_i\in[1-1/n,1]$ donde $n\geq M$ dos números naturales suficientemente grandes entonces tenemos :

$$\sum_{i=1}^{n}x_i-(n-1)\leq \prod_{i=1}^{n}x_i\leq \sum_{i=1}^{n}x_i-(n-1)+\frac{1}{2n}$$

Después de simplificar, tenemos :

$$\left(-x+1\right)^{\left(-\frac{1}{x}\right)}<L<\left(-x+1+\frac{1}{2n}\right)^{\left(-\frac{1}{x}\right)}$$

ahora $n\to \infty$ y $x\to 0$ obtenemos el resultado .

Ps:Es un intento y creo que se debe aclarar un poco (el LHS parece dudoso) y el crédito volver a @Robjohn.

16voto

Si consideramos la función $$f(x) = \sum_{k=1}^\infty \log(x(!^k))$$ entonces la pregunta es equivalente a demostrar que $f'(0)=-1$ .

Tenemos (suponiendo que podemos diferenciar término por término) que $$f'(x) = \sum_{k=1}^\infty\frac{d}{dx} \log(x(!^k))= \sum_{k=1}^\infty\frac{\frac{d}{dx} x(!^k)}{x(!^k)}$$

Desde $0(!^k)=1$ tenemos

$$f'(0)=\sum_{k=1}^\infty \left.\frac{d}{dx}x(!^k)\right\vert_{x=0}$$

Utilizando $\frac{d}{dx}x! = x!\psi(1+x)$ y aplicando repetidamente la regla de la cadena se obtiene $$\frac{d}{dx}(x(!)^k) = x! x(!^2)x(!^3)\cdots x(!^k) \psi(1+x)\psi(1+x(!^1))\psi(1+x(!^2))\cdots\psi(1+x(!^{k-1}))$$

donde $\psi$ es la función digamma.

Utilizando de nuevo que $0(!^k) = 1$ que $\psi(1) = -\gamma$ y $\psi(2) = 1-\gamma$ vemos que $\left.\frac{d}{dx}x(!^k)\right\vert_{x=0} = -\gamma\,(1-\gamma)^{k-1}$ y entonces tenemos $$f'(0)=\sum_{k=1}^\infty-\gamma\, (1-\gamma)^{k-1} =-\gamma\,\frac{1}{1-(1-\gamma)} = -1$$

15voto

Anthony Shaw Puntos 858

Trabajaremos con $x\ge0$ porque los límites resultan más limpios, pero ampliar a $x\le0$ simplemente tenemos que aumentar $a_1$ y $\beta$ un poco.


Desarrollando $\pmb{g_n}$

Defina $g_0(x)=x$ y $$ g_n(x)=\Gamma(1+g_{n-1}(x))\tag1 $$ En primer lugar, para $x\approx0$ tenemos $\Gamma'(1)=-\gamma$ , dando $$ g_1(x)=1-\gamma x+[0,a_1]_\#x^2\tag2 $$ donde $a_1=\frac{\Gamma''(1)}2$ utilizando $\Gamma'''(1)\lt0$ . Utilizamos la notación $[a,b]_\#$ un número real en $[a,b]$ .

A continuación, el valor de $g_1(x)$ está cerca $1$ por lo que el argumento del $\Gamma$ en $g_2(x)=\Gamma(1+\Gamma(1+x))$ es $\approx2$ y $\Gamma'(2)=1-\gamma$ . Por lo tanto, $$ g_2(x)=1-\gamma(1-\gamma)x+[0,a_2]_\#x^2\tag3 $$ donde $a_2=\underbrace{(1-\gamma)a_1}_{\substack{\text{contribution}\\\text{from the}\\\text{$ 2^\text{nd} $ order}\\\text{term in $ (2) $}}}+\underbrace{\quad\beta\gamma^2\quad}_{\substack{\text{contribution}\\\text{from the}\\\text{$ 1^\text{st} $ order}\\\text{term in $ (2) $}}}$ y $\beta=\frac{\Gamma''(2)}2$ utilizando $\Gamma'''(2)\gt0$ .

Repitiendo este proceso se obtiene $$ g_n(x)=1-\gamma(1-\gamma)^{n-1}x+[0,a_n]_\#x^2\tag4 $$ donde $$ a_n=(1-\gamma)a_{n-1}+\beta\gamma^2(1-\gamma)^{2n-4}\tag5 $$


Resolviendo la recurrencia para $\pmb{a_n}$

Dejar $a_n=b_n(1-\gamma)^n$ tenemos $b_1=\frac{a_1}{1-\gamma}$ y $(5)$ se convierte en $$ \begin{align} b_n &=b_{n-1}+\beta\gamma^2(1-\gamma)^{n-4}\tag{6a}\\[9pt] &=\frac{a_1}{1-\gamma}+\frac{\beta\gamma^2}{(1-\gamma)^2}\frac{1-(1-\gamma)^{n-1}}{1-(1-\gamma)}\tag{6b}\\ &=\frac{a_1(1-\gamma)+\beta\gamma\left(1-(1-\gamma)^{n-1}\right)}{(1-\gamma)^2}\tag{6c} \end{align} $$ Por lo tanto, $$ \begin{align} a_n &=\left(a_1(1-\gamma)+\beta\gamma\left(1-(1-\gamma)^{n-1}\right)\right)(1-\gamma)^{n-2}\tag{7a}\\[3pt] &\le(a_1(1-\gamma)+\beta\gamma)(1-\gamma)^{n-2}\tag{7b}\\[3pt] &=\eta\,(1-\gamma)^{n-2}\tag{7c} \end{align} $$ donde $\eta=a_1(1-\gamma)+\beta\gamma=\frac{\pi^2}{12}-\frac{\gamma^2}2$ .

Enchufar $(7)$ en $(4)$ da $$ g_n(x)=1-\gamma(1-\gamma)^{n-1}x+\left[0,\eta\,(1-\gamma)^{n-2}\right]_\#x^2\tag8 $$


Evaluar el producto

Desde $\frac{\gamma(1-\gamma)}\eta\ge\frac13$ si $x\in\left[0,\frac13\right]$ entonces $g_n(x)\le1$ ; si $x\in\left[-\frac13,0\right]$ entonces $g_n(x)\ge1$ . En cualquier caso, podemos aplicar el Teorema de esta respuesta . Para aplicar el Teorema, obsérvese que $$ \sum_{n=1}^\infty\gamma(1-\gamma)^{n-1}=1\tag9 $$ y $$ \sum_{n=1}^\infty\eta(1-\gamma)^{n-2}=\frac\eta{\gamma(1-\gamma)}\le3\tag{10} $$ Aplicando el Teorema, utilizando $(9)$ y $(10)$ da $$ 1-x\le1-x+[0,3]_\#x^2\le\prod_{n=1}^\infty g_n(x)\le\frac1{1+x-[0,3]_\#x^2}\le1-x+4x^2\tag{11} $$ Eso es, $$ \prod_{n=1}^\infty g_n(x)=1-x+[0,4]_\#x^2\tag{12} $$


La raíz del asunto

Utilizando el resultado de esta respuesta podemos calcular $$ \begin{align} \lim_{x\to0}\left(\prod_{n=1}^\infty g_n(x)\right)^{-1/x} &=\lim_{x\to0}\left(1-x+[0,4]_\#x^2\right)^{-1/x}\tag{13a}\\[3pt] &=e\tag{13b} \end{align} $$


$\pmb{\eta}$ Parece correcto

Uso de Mathematica y las funciones

g[n_,x_]:=N[Nest[Gamma[1+#]&,x,n],100]

y

f[n_,x_]:=(g[n,x]-(1-EulerGamma(1-EulerGamma)^(n-1)x))/
          ((1-EulerGamma)^(n-2)x^2)

Evalué f[100,1/1000000000000] y consiguió $$ \left.\frac{g_n(x)-\left(1-\gamma(1-\gamma)^{n-1}x\right)}{(1-\gamma)^{n-2}x^2}\right|_{\substack{n=100\ \ \ \\x=10^{-12}}}=\color{#C00}{0.655878071518}898822 $$ mientras que $\eta=\color{#C00}{0.655878071520}253881$ una diferencia de ${}\approx1.355\times10^{-12}$ .

11voto

Claude Leibovici Puntos 54392

Sea $f_0=x$ y $f_n=\big[f_{n-1}\big]!$ y

$$P_k=\Big[\prod_{n=1}^k f_n\Big]^{-\frac 1 x}$$ Toma el logaritmo y usa expansiones en serie para obtener $$\left( \begin{array}{ccc} k & \log(P_k) & \text{numerical value} \\ 1 & \gamma & 0.577216 \\ 2 & 2 \gamma -\gamma ^2 & 0.821253 \\ 3 & 3 \gamma -3 \gamma ^2+\gamma ^3 & 0.924429 \\ 4 & 4 \gamma -6 \gamma ^2+4 \gamma ^3-\gamma ^4 & 0.96805 \\ 5 & 5 \gamma -10 \gamma ^2+10 \gamma ^3-5 \gamma ^4+\gamma ^5 & 0.986492 \\ 6 & 6 \gamma -15 \gamma ^2+20 \gamma ^3-15 \gamma ^4+6 \gamma ^5-\gamma ^6 & 0.994289 \\ 7 & 7 \gamma -21 \gamma ^2+35 \gamma ^3-35 \gamma ^4+21 \gamma ^5-7 \gamma ^6+\gamma ^7 & 0.997585 \\ 8 & 8 \gamma -28 \gamma ^2+56 \gamma ^3-70 \gamma ^4+56 \gamma ^5-28 \gamma ^6+8 \gamma ^7-\gamma ^8 & 0.998979 \\ 9 & 9 \gamma -36 \gamma ^2+84 \gamma ^3-126 \gamma ^4+126 \gamma ^5-84 \gamma ^6+36 \gamma ^7-9 \gamma ^8+\gamma ^9 & 0.999568 \end{array} \right)$$ donde aparecen patrones simples e interesantes $(\large !!)$

Siguiendo con los valores numéricos $$\left( \begin{array}{cc} k & \text{numerical value} \\ 10 & 0.99981753109089894176 \\ 11 & 0.99992285500358956645 \\ 12 & 0.99996738430398644122 \\ 13 & 0.99998621059464713383 \\ 14 & 0.99999417005542648523 \\ 15 & 0.99999753519075982564 \\ 16 & 0.99999895791726424833 \\ 17 & 0.99999955942374344764 \\ 18 & 0.99999981373126031334 \\ 19 & 0.99999992124849474194 \\ 20 & 0.99999996670509721147 \\ 21 & 0.99999998592343666238 \\ 22 & 0.99999999404864952883 \\ 23 & 0.99999999748386224811 \\ 24 & 0.99999999893621637355 \\ 25 & 0.99999999955024894680 \\ 26 & 0.99999999980985230007 \\ 27 & 0.99999999991960853110 \\ 28 & 0.99999999996601174633 \\ 29 & 0.99999999998563029871 \\ 30 & 0.99999999999392471546 \end{array} \right)$$

Aparentemente, has encontrado una nueva definición de $\color{red}{\large 1}$ .

Editar

$\log(P_{250})=1-3.39 \times 10^{-94}$

11voto

Karthikeyan KC Puntos 141

Al principio Mathematica parece apoyar numéricamente tu conjetura, por ejemplo, utilizando $x!=\Gamma(x+1)$ entonces $$\underset{x\to 0}{\text{lim}}(\Gamma (x+1) \Gamma (\Gamma (x+1)+1) \Gamma (\Gamma (\Gamma (x+1)+1)+1) \Gamma (\Gamma (\Gamma (\Gamma (x+1)+1)+1)+1) \Gamma (\Gamma (\Gamma (\Gamma (\Gamma (x+1)+1)+1)+1)+1) \Gamma (\Gamma (\Gamma (\Gamma (\Gamma (\Gamma (x+1)+1)+1)+1)+1)+1) \Gamma (\Gamma (\Gamma (\Gamma (\Gamma (\Gamma (\Gamma (x+1)+1)+1)+1)+1)+1)+1))^{-1/x}$$ Puedes probarlo tú mismo si tienes Mathematica (gracias a @KStarGamer por el código mejorado):

Limit[Product[Nest[Gamma[# + 1] &, x, n], {n, 1, 7}]^(-1/x), x -> 0]

En el ejemplo anterior obtenemos $$\exp \left(\gamma \left(7-21 \gamma +35 \gamma ^2-35 \gamma ^3+21 \gamma ^4-7 \gamma ^5+\gamma ^6\right)\right),$$ y el exponente parece tender a $1$ .

Los coeficientes del polinomio exponente en $\gamma$ parecen ser los de A007318 (¡coeficientes binomiales!) Así que el caso general podría ser binomial de alguna manera.

Parece que el caso general es

$$e^{1-(1-\gamma )^n}\to e^1$$ como $n\to\infty$ .

Para demostrarlo puede utilizar el hecho de que $$\Gamma(x+1)=1-\gamma x + O(x^2).$$

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