Límite

Question

¿Hay una solución de forma cerrada para esta combinatoria límite de una suma? $$\lim_{n\to\infty}\sum_{k=0}^n\binom nk\frac{3k}{2^n(n+3k)}$ $ Probé serie hipergeométrica y falló.

Answer 1

Deje $X_1, X_2, \ldots $ ser iid variables aleatorias de Bernoulli con probabilidad de éxito $1/2$. A continuación, por la Fuerte Ley de los Grandes Números de $$\bar{X}_n:=\frac{1}n\sum_{i=1}^n X_i \stackrel{a.s.}{\to} \frac12$$ También para cualquier función continua $g$ tenemos $g(\bar{X}_n) \stackrel{a.s.}{\to} g(1/2)$. Ahora tome $g(x)=\frac{3x}{1+3x}$. $|g(\bar{X}_n)| \le 1$ para todos los $n$. Entonces por DCT tenemos $$E(g(\bar{X}_n)) \to g(1/2)=\frac35$$

Vamos $Y=n\bar{X}_n$. $Y\sim \operatorname{Bin}(n,1/2)$. Finalmente tenga en cuenta que

$$E(g(\bar{X}_n))=E\left(\frac{3\bar{X}_n}{1+3\bar{X}_n}\right)=E\left(\frac{3Y}{n+3Y}\right)=\frac1{2^n}\sum_{i=1}^n \binom{n}{k}\frac{3k}{n+3k}$$

Esto muestra que el límite es, de hecho,$\frac35$.

Pregunta Similar: Prueba/derivación de $\lim\limits_{n\to\infty}{\frac1{2^n}\sum\limits_{k=0}^n\binom{n}{k}\frac{an+bk}{cn+dk}}\stackrel?=\frac{2a+b}{2c+d}$?

Answer 2

Deje $(s_n)_{n\in\mathbb{N}_0}$ se define como $s_n=\sum_{k=0}^{n}\binom{n}{k}\frac{3k}{2^n(n+3k)}$. Vamos a mostrar que $\lim_{n\to\infty}s_n=\frac{3}{5}$.

Primero un poco de "mover las cosas": $$ s_n=\sum_{k=0}^{n}\binom{n}{k}\frac{3k}{2^n(n+3k)}=\sum_{k=0}^{n}\binom{n}{k}\frac{1}{2^n}\left(1-\frac{n}{n+3k}\right)=\sum_{k=0}^{n}\binom{n}{k}\frac{1}{2^n}-\sum_{k=0}^{n}\binom{n}{k}\frac{1}{2^n}\frac{n}{n+3k}\\= 1-\frac{n}{2^n}\sum_{k=0}^{n}\binom{n}{k}\frac{1}{n+3k} $$ Por lo tanto, vamos a considerar $t_n=1-s_n$: $$ t_n=\frac{n}{2^n}\sum_{k=0}^{n}\binom{n}{k}\frac{1}{n+3k}=\frac{n}{2^n}\sum_{k=0}^{n}\left(\binom{n}{k}\int_0^1 x^{n+3k-1}dx\right)=\frac{n}{2^n}\int_0^1 \left(x^{n-1}\sum_{k=0}^{n}\binom{n}{k}x^{3k}\right)dx=\frac{n}{2^n}\int_0^1 x^{n-1}\left(1+x^3\right)^ndx=\frac{n}{2^n}\int_0^1 \frac{1}{n}y^{\frac{1}{n}-1}y^{1-\frac1n}\left(1+y^{\frac{3}{n}}\right)^ndy=\int_0^1 \left(\frac{1+y^{\frac{3}{n}}}{2}\right)^ndy $$ Donde en la última integral se utilizó un cambio de variable $x=y^{\frac{1}{n}}$. Ahora vamos a $f_n(y):=\left(\frac{1+y^{\frac{3}{n}}}{2}\right)^n$. Para $y\in\mathbb{R}_{≥0}$ fijo vemos: $$ \log\left(\lim_{n\to\infty}f_n(y)\right)=\lim_{n\to\infty}\log\left(f_n(y)\right)=\lim_{n\to\infty}n\log\left(\frac{1+y^{\frac{3}{n}}}{2}\right)=\lim_{n\to\infty}\frac{\log\left(\frac{1+y^{\frac{3}{n}}}{2}\right)}{\frac{1}{n}}=\lim_{n\to\infty}\frac{-\frac{1}{n^2}\log(y^3)\left(\frac{y^{\frac{3}{n}}}{1+y^{\frac{3}{n}}}\right)}{-\frac{1}{n^2}}=3\log(y)\lim_{n\to\infty}\frac{y^{\frac{3}{n}}}{1+y^{\frac{3}{n}}}=\frac{3}{2}\log(y)\implica \lim_{n\to\infty}f_n(y)=y^{\frac{3}{2}}=:f(y) $$ Donde hemos utilizado L'Hopitals regla y el hecho de que $\lim_{n\to\infty}y^{3/n}=1$. Además, uno puede demostrar que el uso de Hölder (ver más abajo) $$ f_n(y)\ge f_{n+1}(y) $$ para todos los $y\in\mathbb{R}_{≥0}$$n\in\mathbb{N}_{0}$. Junto con el teorema de Dini, esto demuestra que ese $f_n\rightarrow f$ uniformemente en cualquier intervalo de $[0,R]$. Por lo tanto: $$ \lim_{n\to\infty}t_n=\lim_{n\to\infty}\int_0^1 f_n(y)dy=\int_0^1 \lim_{n\to\infty}f_n(y)dy=\int_0^1 y^{\frac{3}{2}}dy=\frac{2}{5} $$ Lo que se demuestra que: $$ \lim_{n\to\infty}\sum_{k=0}^{n}\binom{n}{k}\frac{3k}{2^n(n+3k)}=\lim_{n\to\infty} s_n = 1-\frac{2}{5}=\frac{3}{5} $$

Editar:

Aquí es una forma de demostrar $f_n(y)≥f_{n+1}(y)$ todos los $y\in\mathbb{R}_{≥0}$ $n\in\mathbb{N}$ que sólo utiliza la desigualdad de Hölder: $$ f_n(y)≥f_{n+1}(y) \ffi \left(\frac{1+y^{\frac{3}{n}}}{2}\right)^n≥\left(\frac{1+y^{\frac{3}{n+1}}}{2}\right)^{n+1}\iff 2\left(1+y^{\frac{3}{n}}\right)^n≥\left(1+y^{\frac{3}{n+1}}\right)^{n+1} $$ Esta última desigualdad se cumple porque por Hölder $$ 2\left(1+y^{\frac{3}{n}}\right)^n=(1+1)\underbrace{\left(1+y^{\frac{3}{n}}\right)\cdots \left(1+y^{\frac{3}{n}}\right)}_{n\text{ momentos}}≥\left(1+\left(1\cdot\underbrace{y^{\frac{3}{n}}\cdots y^{\frac{3}{n}}}_{n\text{ momentos}}\right)^{\frac{1}{n+1}}\right)^{n+1}=\left(1+y^{\frac{3}{n+1}}\right)^{n+1} $$