25 votos

¿Cuándo es $\sqrt{x+\sqrt{x+1+\sqrt{x+2+...}}}=0$?

Considera la función $f$ definida como el límite de las funciones $$f_0(x)=\sqrt{x}$$ $$f_1(x)=\sqrt{x+\sqrt{x+1}}$$ $$f_2(x)=\sqrt{x+\sqrt{x+1+\sqrt{x+2}}}$$ $$...$$ de manera que $f(x)$ está definida si y solo si $f_n(x)$ está definida para algún $n$. La raíz única $x_0$ de la función $f$ satisface $f(x_0)=0$, y puede ser expresada alternativamente como el límite de las raíces de $f_0, f_1, f_2, ...$. Ver los gráficos abajo:

Gráficos

¿Alguien puede encontrar una expresión igual a este límite? Me doy cuenta de que las probabilidades de algo bonito y en forma cerrada son escasas, ¿podemos encontrar una serie, integral, o incluso una representación radical anidada de la raíz real de $f(x)$?

12voto

heropup Puntos 29437

Para explicar cómo realicé el cálculo, esto se hizo en Mathematica usando el siguiente código:

F[x_, n_] := Fold[Sqrt[x + #1 + #2] &, 0, Reverse[Range[n + 1] - 1]]
FindRoot[F[x, 500] == 0, {x, -1.2}, WorkingPrecision -> 50]

El primer comando define $f_n(x)$; el segundo elige $n = 500$, lo cual debido a la convergencia extremadamente rápida de $\{f_n\}_{n \ge 1}$, es más que suficiente para converger a la precisión deseada con un tiempo de cálculo corto. Puedes comprobar que el resultado es preciso eligiendo $n = 100$ y viendo que el resultado no cambia a $50$ dígitos de precisión; de hecho, incluso a $100$ dígitos de precisión. Pondría un límite superior en el error para que sea menor que $10^{-n}$ al usar $f_n$ en lugar de $f$.

4voto

Dark Malthorp Puntos 8

No es realmente una solución, pero aquí hay una perspectiva diferente que era demasiado larga para un comentario:

Tenemos $$ f(x) = \sqrt{x+f(x+1)} $$ o equivalente $$ f(x)^2 =x+f(x+1) $$ lo cual nos da una pseudo-recursión para $f'(x)$: $$ f'(x) = \frac{1+f'(x+1)}{2f(x)} $$ Simplemente formalmente, obtenemos:\begin{eqnarray} f'(x) = \frac{1}{2f(x)} + \frac1{4f(x)f(x+1)} +\frac1{8f(x)f(x+1)f(x+2)}+\cdots = \sum_{n=0}^\infty \frac1{2^{n+1}}\prod_{k=0}^n\frac1{f(x+k)} \end{eqnarray} ¿Converge esta serie? Parece cierto que debiera hacerlo, y de hecho, dado que $f(x)\ge\sqrt{x}$, obtenemos que el límite superior para cada término es $$ \frac1{2^{n+1}}\prod_{k=0}^n\frac1{\sqrt{x+k}} $$ lo cual es claramente sumable (y por ende también tenemos convergencia uniforme en intervalos cerrados cuando $x>0$, validando que esta es realmente la derivada de $f$, no simplemente de forma formal).

Además, para la $m$-ésima derivada cuando $m>1$, tenemos $$ \sum_{j=0}^m\binom{m}{j} f^{(j)}(x)f^{(m-j)}(x) = f^{(m)}(x+1) $$ lo cual puede resolverse para $f^{(m)}$ tomando $$ f^{(m)}(x) =\frac{\sum_{j=1}^{m-1}\binom{m}{j} f^{(j)}(x) f^{(m-j)}(x) + f^{(m)}(x+1)}{2f(x)} $$ y similarmente nos da (al menos ¡de forma formal!)$$ f^{(m)}(x) =\sum_{n=0}^\infty \frac{\sum_{j=1}^{m-1}\binom{m}{j} f^{(j)}(x+n) f^{(m-j)}(x+n)}{2^{n+1}\prod_{k=0}^n f(x+n)} $$ Debería ser posible mostrar de manera similar la convergencia uniforme de estas series.

Ahora, observa que la fórmula $$ f(x+1) = f(x)^2 - x $$ nos permite calcular explícitamente $f(x+n)$ en términos de $f(x)$ para todos los $n\in \mathbb{N}$. Digamos $f(x+n) = g_n(f(x),x)$. Entonces $f(x+n) = f(x+n-1)^2 - x-n = g_{n-1}(f(x),x)^2 - x - n$, entonces tenemos la siguiente recursión explícita para $g_n$:$$ g_n(y,x) = \begin{cases}y & n=0\\ g_{n-1}(y)^2 - x - n & n>0 \end{cases} $$ Por lo tanto, nuestra fórmula de derivada realmente se convierte en una ecuación diferencial:$$ f'(x) = \sum_{n=0}^\infty \frac1{2^{n+1}}\prod_{k=0}^n\frac1{g_k(f(x),x)} $$ Esto no es extremadamente útil, ¡pero es ligeramente interesante! También implicará que $f$ es la función diferenciable única que satisface $f(x)^2 = x+f(x+1)$ con su valor inicial $f(0)=\sqrt{1+\sqrt{2+\sqrt{3+\cdots}}}$.


Actualización: Una especie de solución. La raíz es $$ r = - \sqrt{1 + \sqrt{2 + \sqrt{3 + \sqrt{4 + \cdots} - \sqrt{ 1 + \cdots}} - \sqrt{1 + \sqrt{2 + \cdots} - \sqrt{1+\cdots}}} - \sqrt{1 + \sqrt{2 + \sqrt{3 + \cdots} - \sqrt{1 + \cdots}} - \sqrt{1 + \sqrt{2 + \cdots} - \sqrt{1+\cdots}}}} $$ En caso de no estar claro cuál es el patrón, cada vez que veas $n+\cdots$ léelo recursivamente como $$n+\cdots=n+\sqrt{n+1 + \cdots} - \sqrt{1+\cdots}$$

Para ver cómo esto es una solución, se puede ver a partir de esta lectura recursiva:\begin{eqnarray} \sqrt{1+r + \sqrt{2+r + \cdots}} = \sqrt{1 - \sqrt{1 + \cdots} + \sqrt{2 +\cdots}} = -r \end{eqnarray} y por ende $$ f(r) = \sqrt{r + \sqrt{1+r + \sqrt{2+r+\cdots}}} = \sqrt{r - r} = 0 $$ Una forma recursiva de encontrar esta raíz es observar, usando $f(x)^2 = x + f(x+1)$, que se tiene $f(r+1) + r = 0$ o equivalentemente, $r+1 = 1-f(r+1)$. Por lo tanto $r+1$ es el punto fijo único de $x\to 1 - f(x)$. Por lo tanto, formalmente se tiene$$ r+1 = 1-f(1-f(1-\cdots)) $$ De hecho, el punto fijo es atractor; uno puede mostrar inductivamente que $f_n'(1) < 1$ para todo $n$, y por ende $f'(1)<1$. Usando el hecho de que $r<-1$ y que $f'$ es decreciente, se tiene$$ f'(r+1) = \frac{1+f'(r+2)}{2f(r+1)} = \frac{1+f'(r+2)}{-2r} \le \frac{1+f'(1)}{-2r} < \frac{1}{-r} < 1 $$ Así, la derivada de $1-f(x)$ en $x=r+1$ es menor que $1$ en valor absoluto, por lo que iterar converge a su punto fijo. Definiendo una secuencia $c_n$ recursivamente por $$ c_{n} = 1 - f_n(c_{n-1}) $$ con $c_0 = 1$, se obtiene una secuencia que converge a $r+1$. Los primeros términos:\begin{eqnarray} c_0 &=& 1\\ c_1 &=& 0 \\ c_2 &=& 1-\sqrt[4]{1+\sqrt2}\\ c_3 &=& 1-\sqrt{1-\sqrt[4]{1+\sqrt2}+\sqrt{2-\sqrt[4]{1+\sqrt2}+\sqrt{3-\sqrt[4]{1+\sqrt2}+\sqrt{4-\sqrt[4]{1+\sqrt2}}}}} \end{eqnarray} claramente esto se vuelve bastante complicado bastante rápido. Programé esta recursión en Haskell y parece converger bastante rápido. Después de $c_{65}$ en mi computadora, muestra los valores oscilando entre $-0.21103728351247164$ y $-0.21103728351247142$, por lo que supongo que la raíz es $$ r\approx -1.211037283512471\dots $$ lo cual concuerda con los cálculos numéricos de otros usuarios.

2voto

Pedrpan Puntos 31

Este problema es equivalente a demostrar que existe algún número real $r $ tal que \begin {equation} \lim_ {n \to \infty} f_n (r) = 0 \end{equation} donde $ f_n = g_n ^ 0 (x) $ y $ g ^ k_n $ está definido por la recurrencia \begin {equation} g_n ^ k (x) = \begin {cases} \sqrt {x + k} & \text {si} n = 1 \\ \sqrt {x + k + g ^ {k + 1} _ {n-1} (x)} & \text {otro} \\ \end {cases}. \end {equation} Por lo tanto, por definición, tenemos \begin {equation} f_n (x) = \begin {cases} \sqrt {x} & \text {si} n = 1 \\ \sqrt {x + g ^ {1} _ {n-1} (x)} & \text {otro} \\ \end {cases}, \end {equation} lo cual, después de demostrar lo siguiente: \begin {equation} g_n ^ 1 (x) = g_n ^ 0 (x + 1), \end {equation} por una simple inducción, nos da que \begin {equation} f_n (x) = \begin {cases} \sqrt {x} & \text {si} n = 1 \\ \sqrt {x + f_ {n-1} (x + 1)} & \text {otro} \\ \end {cases}. \end {equation}

Supongamos que $r_n - f_ {n-1} (r_n + 1) = \epsilon_n $ y que $ \lim_ {n \to \infty} \epsilon_n = 0 $ entonces tenemos que \begin {equation} \lim_ {n \to \infty} f_ {n} (r_n) = 0. \end {equation}

Una posible ruta para encontrar esto es considerar el crecimiento de la secuencia \begin {equation} \delta_n (x) = f_n (x + 1) - f_n (x). \end {equation}

Por lo tanto, dado una buena aproximación a $r_n $ , una suposición educada para $r_ {n + 1} $ debería ser alguna \begin {equation} r_ {n + 1} \in [r_ {n} - 1, r_ {n}], \end {equation} esto es porque \begin {equation} f_ {n + 1} ^ 2 (r_ {n} - \epsilon) = r_ {n} - \epsilon + f_n (r_ {n} - \epsilon) + \delta_n (r_ {n} - \epsilon) \end {equation} y \begin {equation} \delta_n (r_ {n} - \epsilon) = f_n (r_ {n} +1- \epsilon) - f_n (r_ {n} - \epsilon) = f_n (r_ {n} + (1- \epsilon)) - f_n ( r_ {n} - \epsilon) \end {equation} nos da que deberíamos buscar algo \begin {equation} - \delta_n (r_ {n} - \epsilon) \approx r_ {n} - \epsilon + f_n (r_ {n} - \epsilon) \end {equation} lo que es equivalente a decir \begin {equation} - \delta_n (r_ {n} - \epsilon) - f_n (r_ {n} - \epsilon) \approx r_ {n} - \epsilon \end {equation} o \begin {equation} - f_n (r_ {n} + (1- \epsilon)) \approx r_ {n} - \epsilon, \end {equation} o \begin {equation} f_n (r_ {n} + (1- \epsilon)) \approx \epsilon - r_n. \end {equation}

lo cual es una "especie de" ecuación de punto fijo . ¡Ahora estamos avanzando!

Ahora tenemos un método para aproximar soluciones recursivamente a partir de soluciones anteriores; es decir. \begin {equation} f_n (r_ {n} + (1- \epsilon)) = \epsilon -r_ {n} \implies f_ {n + 1} (r_ {n} - \epsilon) = 0. \end {equation}

Calculemos $r_n $ para valores pequeños para verificar la solución.

  1. $ f_1 (x) = \sqrt x $ es el caso base y tiene la solución obvia $ r_1 = 0 $ .
  2. Dado que $ f_1 (0) = 0 $ y $ \sqrt {1- \frac {\sqrt5 -1} {2}} = \frac {\sqrt5 -1} {2} $ tenemos una solución exacta en forma de $ r_1 = 0 $ , $ \epsilon = \frac {\sqrt5 -1} {2} $ y $ r_2 = r_1 - \epsilon $ ; es decir. $ f_2 (r_1 - \epsilon) = f_2 \ left (\ frac {1- \sqrt5} {2} \ right) = 0 $ .
  3. Deje $ \epsilon = \frac {1} {2} (3 - \sqrt {5}) $ entonces uno puede verificar fácilmente que tanto $ f_2 (r_2 +1 - \epsilon) = \epsilon - r_2 $ y $ f_3 (r_2 - \epsilon) = f_3 (-1) = 0. $
  4. Deje $ \epsilon = 0.153761 $ entonces uno puede verificar fácilmente que tanto $ f_2 (r_3 + 1 - \epsilon) \approx \epsilon - r_3 $ y $ f_4 (r_3 - \epsilon) = f_3 (-1.153761) \approx 0. $

En conclusión, tenemos la siguiente relación de recursión para las raíces

\begin {equation} r_ {n + 1} = \begin {cases} 0 & \text {if} n = 1 \\ r_n - \epsilon & \text {si} f_n (r_n +1 - \epsilon) = r_n - \epsilon \\ \end {cases}; \end {equation};

sin embargo, es posible que un análisis recursivo de las siguientes dos funciones

  1. $ f'_n (x) $

  2. $ \delta_n (x) $

podría dar una mejor cota recursiva $ b_n en los intervalos

\begin {equation} r_ {n + 1} \in [r_n-b, r_n] \end {equation}

2voto

Yuri Negometyanov Puntos 593

$\color{brown}{\textbf{La tarea en pie.}}$

Sea $-r$ la raíz de $f(x).$

Dado que $f(x)$ es una función creciente y $$f(-r)=0,\quad f(-1) > f_2(-1) = 0,$$ entonces $r>1.$

Al mismo tiempo, \begin{cases} f(x+1) = f^2(x)-x\\ f(-r)=0\\ f(-r+1) = r\\ f(-r+2) = r^2+r-1\\ f(-r+3)= (r^2+r-1)^2 + r-2 = (r-1)(r^4+3r^2+2r+1)\dots.\tag1 \end{cases}

Además, \begin{cases} f'(x+1) = 2f(x)f'(x)-1\\ f'(-r) = \infty\\ f'(-r+2) = 2rf'(-r+1)-1\\ f'(-r+3) = 2(r^2-r+1)f'(-r+2)-1\dots\tag2 \end{cases}

Las condiciones $(1),(2)$ permiten definir parámetros desconocidos en varias representaciones paramétricas de $f(x).$

$\color{brown}{\textbf{Modelo polinómico inverso.}}$

Sea la función inversa $f^{-1}(x)=g(y),$ entonces \begin{cases} g(0) = -r\\ g'(0)=0\\ g(r) = -r+1\\ g(r^2+r-1) = -r+2\\ g((r-1)(r^4+3r^2+2r+1)) = -r+3,\tag3 \end{cases} y los coeficientes del polinomio de aproximación cúbico en la forma de $$g(y)=-r+qy^2+py^3\tag4$$ se pueden obtener del sistema algebraico \begin{cases} -r+1 = -r + pr^2 + qr^3\\ -r+2 = -r + p(r^2+r-1)^2 + q(r^2+r-1)^3\\ -r+3 = -r + p(r-1)^2(r^4+3r^2+2r+1)^2 + q(r-1)^3(r^4+3r^2+2r+1)^3, \end{cases} con la única solución positiva $$p\approx 0.0622998,\quad q\approx 0.606587,\quad r\approx1.21088$$ (ver tambiénresultados de Wolfram Alpha).

Por lo tanto, la estimación del modelo cúbico de la raíz de $f(x)$ es $\color{brown}{\mathbf{-1.21088}}.$

$\color{brown}{\textbf{Modelo de potencia.}}$

Teniendo en cuenta las condiciones $(1),$ se puede utilizar el modelo de potencia explícito $$f(x) = r(x+r)^p,\tag5$$

donde \begin{cases} r^2+r-1 = r\cdot 2^p\\ (r-1)(r^3+3r^2+2r+1) = r\cdot 3^p, \end{cases}

Parámetros del modelo de potencia

La estimación del modelo de potencia de la raíz de $f(x)$ es $\color{brown}{\mathbf{-1.21168}}.$

Gráfico de las funciones inversas para los modelos considerados ver a continuación.

Funciones inversas

El uso de modelos detallados puede mejorar la precisión de las aproximaciones.

1voto

cordsen Puntos 1387

No estoy seguro si esto es útil, pero puede ser fructífero considerar una secuencia de funciones $g_n(x)$ donde $g_0(x) = x$ y

$$g_n(x) = [g_{n-1}(x)]^2 - x - n$$

En particular,

$$\lim_{n \to \infty} g_n(x_0) = 0.$$

Encontré esto estableciendo

$$f_n(x) = 0$$

y moviendo todas las raíces al otro lado. Por ejemplo, con $n = 2$,

$$\begin{align*} 0 &= \sqrt{x + \sqrt{x + 1 + \sqrt{x + 2 + \sqrt{x+3}}}}, \\ -x &= \sqrt{x + 1 + \sqrt{x + 2 + \sqrt{x+3}}}, \\ x^2 - x - 1 &= \sqrt{x+2 + \sqrt{x+3}}, \\ (x^2 - x - 1)^2 - x - 2 &= \sqrt{x+3}, \\ ((x^2 - x - 1)^2 - x - 2)^2 - x - 3 &= 0. \end{align*}$$

Esto deja claro que si $a$ satisface $f_n(a) = 0$, entonces $g_n(a) = 0$. Supongo entonces que la solución a la pregunta depende de si la secuencia $g_n$ definida por $g_0 = x$ y

$$g_n = g_{n-1}^2 - x - n$$

tiene una forma explícita.

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