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¿Lo que ' s el límite de $\sqrt{2 + \sqrt{2-\sqrt{2+\sqrt{2-\sqrt{2-\sqrt{2 + ...}}}}}} $?

Veamos la continuación de los radicales

$ R = \sqrt{2 + \sqrt{2-\sqrt{2+\sqrt{2-\sqrt{2-\sqrt{2 + ...}}}}}} $

cuyos signos se define como $ (+, -, +, -, -, + ,-, -, -,...)$, similar a la secuencia de $101001000100001...$, donde

$1 = +$

$0 = - $

Este radical parece converger a una constante aproximadamente igual a $1.567883...$.

La pregunta es: ¿Es posible encontrar este límite $R$ en forma cerrada?

Comentario: En el artículo "En el periódico continuó radicales de 2 y generalización de Vieta del producto", está demostrado que un periódico de la secuencia de los signos compuestos de las raíces cuadradas de dos converge a $2\sin(q\pi)$ para un número racional $q$. He intentado con los no periódicos las secuencias de más y menos, y hacen converger a los números de entre los $0$$2$. si este radical tiene una forma cerrada, puede ser en el seno de un irracional múltiples de $\pi$, ya que ambos son trascendentales números.

33voto

Joe Gauterin Puntos 9526

Para cualquier función de $f$ y la secuencia de las funciones de $f_1, f_2, \cdots, f_n$, vamos $$\mathop{\bigcirc}_{k=1}^n f_k \stackrel{def}{=} f_1 \circ f_2 \circ \cdots \circ f_n \quad\text{ y }\quad f^{\circ n} \stackrel{def}{=} \mathop{\bigcirc}_{k=1}^n f = \underbrace{f\circ f \circ \cdots \circ f}_{n \text{ momentos}} $$ un corto de la mano de componer las funciones en el orden dado.

Tenga en cuenta las siguientes mapas: $$\begin{align} \psi :&\quad [0,1] \ni \theta \quad\mapsto\quad 2\cos\left(\frac{\pi}{2}\theta\right) \in [0,2]\\ \phi_{\pm} :&\quad [0,2] \ni x\quad \mapsto\quad \sqrt{ 2 \pm x } \in [0,2] \end{align} $$

El infinito radical a la mano puede ser interpretado como elegir arbitrariamente $x \in [0,2]$ y de estudio de la siguiente límite:

$$\lim_{n\to\infty} \left( \mathop{\bigcirc}_{k=1}^n \phi_{+}\circ \phi_{-}^{\circ k}\right)(x)$$ Como funciones, no es difícil comprobar siguientes igualdades $$\begin{align} \psi^{-1}\circ\phi_{+}\circ\psi \;=&\quad [0,1] \ni \theta &\mapsto&\quad \frac{\theta}{2} \in [0,1]\tag{*1a}\\ \psi^{-1}\circ\phi_{-}\circ\psi \;=&\quad [0,1] \ni \theta &\mapsto&\quad 1 - \frac{\theta}{2} \in [0,1]\tag{*1b} \end{align} $$ Deje $\alpha = -\frac12$. Appy $(*1b)$ $k$ veces seguido por $(*1a)$, obtenemos $$\begin{align} \left(\psi^{-1}\circ\phi_{+}\circ\phi_{-}^{\circ k}\circ\psi\right)(\theta) &= \frac12\left(1 + \alpha + \alpha^2 + \cdots + \alpha^{k-1} + \alpha^k\theta\right) = \frac12\left(\frac{1 - \alpha^k}{1 - \alpha} + \alpha^k \theta\right)\\ &= \frac12\left(\frac23(1-\alpha^k) + \alpha^k\theta\right) = \frac13 + \alpha^{k+1}\left(\frac23 - \theta\right) \end{align} $$ A partir de esto, nos encontramos

$$\left(\psi^{-1}\circ \left(\mathop{\bigcirc}_{k=1}^n \phi_{+}\circ\phi_{-}^{\circ k}\right)\circ\psi\right)(\theta) = \frac13 + \alpha^2\left[ \frac13 - \alpha^3\left[ \cdots \left[ \frac13 - \alpha^{n+1}\left[\frac23-\theta\right] \right] \cdots \right] \right]\\ = \frac13 \left [ 1 + \sum_{k=2}^n(-1)^k \alpha^{\frac{k(k+1)}{2}-1} \right] + (-1)^{n+1} \alpha^{\frac{(n+1)(n+2)}{2}-1}\a la izquierda(\frac23-\theta\right) $$ Desde $|\alpha| < 1$, $\theta$ dependiente de término en la expresión anterior se cae exponencialmente.
Independiente de la elección de $\theta \in [0,1]$, tenemos $$\lim_{n\to\infty} \left(\psi^{-1}\circ \left(\mathop{\bigcirc}_{k=1}^n \phi_{+}\circ\phi_{-}^{\circ k}\right)\circ\psi\right)(\theta) = \frac13 \left[ 1 - 2\sum_{k=2}^\infty(-1)^k \alpha^{\frac{k(k+1)}{2}}\right]$$ Esto significa que el infinito radical está bien definido y tiene un valor

$$2\cos\left[\frac{\pi}{6}\left(1 - 2\sum_{k=2}^\infty(-1)^k \alpha^{\frac{k(k+1)}{2}}\right)\right]$$

Numéricamente, esta expresión se evalúa a $\approx 1.567883223337111$, que coincide con el número mencionado en la pregunta.

10voto

Que $R$ sea la raíz cuadrada iterada en cuestión

Uno fácilmente comprobar que cualquier expresión finita de la forma %#% $ de #% entre $$\sqrt{2\pm\sqrt{2\pm\sqrt{2\pm\cdots}}}$y $0$. Así $2$.

Supongamos que $0\le R\le 2$. A continuación, $a=2\cos t$ $ y $ el $\sqrt {2 a} = \sqrt {2 (1-\cos t)}=\sqrt{4\sin^2(a/2)} = 2\sin\frac a2 = 2\cos\left(\frac\pi2-\frac a2\right). por tanto $$-$$ \begin{align} \cos^{-1}\frac R2&=\frac12\cos^{-1}\frac12\sqrt{2-\sqrt {2+\sqrt{2 -\sqrt{2-\sqrt{2-\cdots}}}}}\\ &=\frac{\pi}4-\frac14\cos^{-1} \frac12\sqrt {2+\sqrt{2 -\sqrt{2-\sqrt{2-\cdots}}}}\\ &=\frac{\pi}4-\frac18\cos^{-1} \frac12\sqrt{2 -\sqrt{2-\sqrt{2-\cdots}}}\\ &=\frac{\pi}4-\frac{\pi}{16}+\frac1{16}\cos^{-1} \frac12 \sqrt{2-\sqrt{2-\cdots}}\\ \end{Alinee el} $$ etcetera. Así podemos obtener una serie $$\sqrt{2+a}=\sqrt{2(1+\cos t)}=\sqrt{4\cos^2(a/2)}=2\cos\frac a2$. Creo que sería algo así como $\cos^{-1}(R/2)$ $, que es una especie de función theta.

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