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Peculiares ubicaciones de la raíz y el máximo de $(x+1)^{x+1}-x^{x+2}$

Relacionado con algunos otros problemas, me interesé en esta función:

$$(x+1)^{x+1}-x^{x+2}$$

Su raíz está muy cerca de $\pi$. Este es el código de Mathematica que encuentra la raíz:

NSolve[Power[x + 1, x + 1] - Power[x, x + 2] == 0, x, Reals]

{{x -> 3.14104}}

($\pi \simeq 3.14159$)

Además, la ubicación de su máximo está muy cerca de $e$:

FindMaximum[Power[x + 1, x + 1] - Power[x, x + 2], {x, 2.65, 2.78}]

{20.0645, {x -> 2.70965}}

($e\simeq 2.71828$)

Encuentro estos hechos casi perturbadores.


¿Existe una explicación matemática más profunda para este comportamiento "cercano pero no exacto"?


Intenté varias formas de aproximación de esta función (similar a esto), pero no tengo suficiente conocimiento matemático y antecedentes para obtener algún resultado que tenga sentido.

Este es el gráfico de la función:

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Yuriy S Puntos 179

Esta no es una respuesta, pero es demasiado larga para un comentario.

La parte más interesante es la ubicación de la raíz, así que voy a aclarar mi comentario sobre la expansión de la serie.

La ecuación para la raíz puede transformarse para tener la forma:

$$x=\left(1+\frac{1}{x} \right)^{1+x}$$

Considera la función:

$$f(x)=\left(1+\frac{1}{x} \right)^{1+x}$$

Cambiemos la variable $1/x \to y$, y expandamos la función resultante alrededor de $y \to 0$ hasta términos de tercer orden:

$$\left(1+y \right)^{1+\frac{1}{y}}=(1+y)\exp \left( \frac{1}{y} \ln (1+y)\right)=(1+y)\exp \left( 1-\frac{y}{2}+\frac{y^2}{3}-\frac{y^3}{4}+\dots\right) =$$

$$= e(1+y) \left(1+\left(-\frac{y}{2}+\frac{y^2}{3}-\frac{y^3}{4} \right)+\frac{1}{2} \left(-\frac{y}{2}+\frac{y^2}{3} \right)^2+\frac{1}{6} \left(-\frac{y}{2} \right)^3 \right)+O(y^4)=$$

$$=e \left(1+\frac{y}{2}-\frac{y^2}{24}+\frac{y^3}{48}\right)+O(y^4)$$

Entonces finalmente tenemos una aproximación:

$$x \approx e \left(1+\frac{1}{2x}-\frac{1}{24x^2}+\frac{1}{48x^3}\right)$$

Sustituyendo $\pi$ en el lado derecho obtenemos:

$$x \approx e \left(1+\frac{1}{2\pi}-\frac{1}{24\pi^2}+\frac{1}{48\pi^3}\right)=3.14126\dots$$

No veo ninguna razón más profunda por la cual $\pi$ sea una buena aproximación para la raíz de esta función. Parece ser una coincidencia.


No debería haber nada sorprendente sobre el máximo, porque esta función está estrechamente relacionada con $e$.

Pero resulta ser complicado. Encontremos la primera derivada de la función:

$$g(x)=(1+x)^{1+x}-x^{2+x}=e^{(1+x)\ln(1+x)}-e^{(2+x)\ln(x)}$$

$$g(x)'=(1+\ln(1+x))e^{(1+x)\ln(1+x)}-\left(1+\frac{2}{x}+\ln(x) \right) e^{(2+x)\ln(x)}$$

La ecuación para el extremo es:

$$g(x)'=0$$

Que puede transformarse a:

$$\left(1+\frac{1}{x} \right)^{1+x}=\frac{2+x(1+\ln x)}{1+\ln(1+x)}$$

Si sustituimos $e$ en el lado derecho, obtenemos:

$$\frac{2+x(1+\ln x)}{1+\ln(1+x)}=\frac{2(1+e)}{1+\ln(1+e)}=3.215\dots$$

En el lado izquierdo obtenemos (nota que para cualquier $x$ sabemos que $\left(1+\frac{1}{x} \right)^{1+x}>e$):

$$\left(1+\frac{1}{x} \right)^{1+x}=\left(1+\frac{1}{e} \right)^{1+e}=3.205\dots$$

Nuevamente, no estoy seguro de si podemos sacar conclusiones del hecho de que la solución está cerca de $e$.


Pero espero que estos cálculos ayuden al OP a comprender mejor esta función.

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