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Demostrar que una secuencia definida por una relación de recurrencia converge

Considere la siguiente relación de recurrencia:

$$ a_i = \frac {+2}{2} \cdot \left(\frac{i}{i+1} - \sum_{j=1}^{i-1} \frac{2 a_j}{2i - j + 2}\right). $$

Los diez primeros términos son:

  • $0.75$
  • $0.733333333333$
  • $0.728174603175$
  • $0.725850340136$
  • $0.72458353375$
  • $0.723808024231$
  • $0.723294499472$
  • $0.722934619774$
  • $0.722671361045$
  • $0.722472200516$.

Es natural suponer que la secuencia converge. ¿Cómo puede uno probar? En realidad, para mi aplicación sería suficiente para demostrar la convergencia en el sentido de Cesàro.

Algunos resultados parciales.

  • Es fácil ver que si $a_i$ converge, entonces el límite es igual a $1 / \ln 4 \approx 0.722$.
  • Si asumimos que un gran $i$ tenemos $a_j = 1 / \ln 4$ todos los $j < i$, entonces tenemos $$ a_i = \frac{7}{8 \ln 2} - \frac{1}{2} + o(1), $$ que es estrictamente mayor que $1 / \ln 4$. Por lo tanto, debemos utilizar el hecho de que $a_i$ no converge muy rápido.
  • Uno puede comprobar empíricamente, que $a_i - 1 / \ln 4$ se comporta aproximadamente como $i^{-\alpha}$ donde $\alpha$ es de alrededor de $1.6$. Probablemente, con un poco de esfuerzo uno puede incluso encontrar el valor exacto de $\alpha$, pero sería bueno hacer las cosas de manera más sistemática.

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Did Puntos 1

(No una respuesta.) Un marco más amplio, es considerar las secuencias de $(a_n)_{n\geqslant1}=(a_n^{c,\mathbf b})_{n\geqslant1}$ definida recursivamente por las identidades $$ \sum_{k=1}^n\frac{a_k}{n+1-ck}=b_n, $$ para cada $n\geqslant1$, para algún parámetro de $c$ $(0,1)$ y alguna secuencia $\mathbf b=(b_n)_{n\geqslant1}$ convergentes para algunos límite de $\beta$. Así, por ejemplo, $$ a_1=(2-c)b_1,\quad a_2=(3-2c)\left(b_2-\frac{2-c}{3-c}b_1\right)\ \cdots $$ Básicos de manipulaciones algebraicas muestran que la secuencia en el post es el caso cuando se $c=1/2$ $b_n=n/(n+1)$ por cada $n$, lo $\beta=1$.

Conjetura de Una Por cada $(c,\mathbf b)$ como en el anterior, la secuencia de $(a_n^{c,\mathbf b})_{n\geqslant1}$ converge.

Al $(a_n)_{n\geqslant1}$ converge, entonces, como se menciona en el post al $c=1/2$, su límite es $\beta/\vartheta(c)$, donde $$ \vartheta(c)=-\frac{\log(1-c)}c=\lim\limits_{n\to\infty}\sum_{k=1}^n\frac{1}{n+1-ck}. $$ En la pregunta, $\vartheta(c)=2\ln2$$\beta=1$, y, de hecho,$\beta/\vartheta(c)=1/(2\ln2)$.

Una primera línea de ataque de la conjetura sería que, para demostrar que la convergencia de $(a_n)_{n\geqslant1}$ es asintótica con respecto a $\mathbf b$ en el sentido de que la modificación de los valores de $(b_n)_{n\leqslant N}$ no cambia la convergencia de $(a_n)_{n\geqslant1}$, para cada finito $N$. Entonces uno podría suponer sin pérdida de generalidad que $b_n=1$ por cada $n$ por la linealidad de la transformación de $\mathbf b\mapsto(a_n^{c,\mathbf b})_{n\geqslant1}$ (pero la (falta de) monotonía podría ser un problema aquí...), y resolver este caso.

Una observación es que uno es, de hecho, el estudio de la inversa de la infinita inferior triangular de la matriz invertible $(M^c_{n,k})_{n\geqslant1,k\geqslant1}$ definido por $M^c_{n,k}=0$ por cada $1\leqslant n\leqslant k-1$ y, para cada $1\leqslant k\leqslant n$, $$ M^c_{n,k}=\frac1{n+1-ck}. $$ Teniendo en cuenta la infinita triangular inferior de la matriz $(T^c_{n,k})_{n\geqslant1,k\geqslant1}$ que es la inversa de a $(M^c_{n,k})_{n\geqslant1,k\geqslant1}$, uno puede ser llevado a demostrar que $T^c_{n,k}\to0$ para todos los fijos $k$ al $n\to\infty$, y que $$ \lim\limits_{n\to\infty}\sum_{k=1}^nT^c_{n,k}=\frac1{\vartheta(c)}. $$ Todavía una formulación más general, incluyendo nuestro problema (después de una pequeña modificación que omitimos) es la siguiente: elegir algunos (es decir, positiva continua) la función $u$ $[0,1]$ y definir de forma recursiva alguna secuencia $(a_n)_{n\geqslant1}=(a_n^{u,\mathbf b})_{n\geqslant1}$ por las identidades $$ \frac1n\sum_{k=1}^nu\left(\frac{k}n\right)a_k=b_n, $$ para cada $n\geqslant1$. En el caso del post es cuando $$ u(t)=\frac1{1-ct}. $$

Conjetura de B Para cada a $(u,\mathbf b)$ como en el anterior, si $\mathbf b$ converge, la secuencia de $(a_n^{c,\mathbf b})_{n\geqslant1}$ converge.

Si $\mathbf b$ converge a $\beta$ e si $(a_n^{u,\mathbf b})_{n\geqslant1}$ converge, entonces $(a_n^{u,\mathbf b})_{n\geqslant1}$ converge a $\beta/\Theta(u)$ donde $\displaystyle\Theta(u)=\int_0^1u(t)\,\mathrm dt.$

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