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递推数列 极限

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hbghlyj 发表于 2022-3-17 22:58 |阅读模式
来自香蕉空间的问题J:
$k\geqslant 2$ 是一个给定的正整数。数列由如下的方式归纳地定义:
\[a_0>0~\text{预先给定},~a_{n+1}=a_n+\frac{1}{\sqrt[k]{a_n}}, \ \ n\geqslant 0.\]
证明,$\displaystyle \lim_{n\rightarrow \infty}\frac{(a_n)^{k+1}}{n^k}$ 存在并计算它的值。

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 楼主| hbghlyj 发表于 2022-3-17 23:00
aops MHF1U:
Let $y_{n}=n, \forall n \in \mathbb{N}$.
Since $a_0 > 0$, $a_n$ is a positive series and $a_{n+1} > a_{n}, \forall n \in \mathbb{N}$. This leads to $ \sqrt [k] {{a_{n+1}}^{k+1}} > \sqrt [k] {{a_{n}}^{k+1}}, \forall n \in \mathbb{N}$ or we obtain :

$$  \vert  \sqrt [k] {{a_{n+1}}^{k+1}} - \sqrt [k] {{a_{n}}^{k+1}} \vert = \sqrt [k] {{a_{n+1}}^{k+1}} - \sqrt [k] {{a_{n}}^{k+1}} < \sqrt [k] { {a_{n+1}}^{k+1}-{a_{n}}^{k+1}}$$
On the other hand, we have: ${(a_{n+1}-a_{n})}^{k+1}= {a_{n+1}}^{k+1}-{a_{n}}^{k+1} + \sum_{i=1}^{k} C^i_{k+1}(a_{n}a_{n+1})^{i}({a_{n+1}}^{k+1-2i} - {a_{n}}^{k+1-2i}) > {a_{n+1}}^{k+1}-{a_{n}}^{k+1} $.

Moreover, it is obvious that $\displaystyle \lim_{n \to \infty} {a_{n}} = + \infty $ and $a_{n}$ is increasing so $\dfrac {1} {\sqrt [k] {a_n}} \to 0$ when $n \to \infty$. So we have :
$$\sqrt [k] { {a_{n+1}}^{k+1}-{a_{n}}^{k+1}} < \sqrt [k] {{(a_{n+1}-a_{n})}^{k+1}} = \sqrt [k] {\dfrac {1} {\sqrt [k] {a_n}}}^{k+1}= {a_n}^{- \dfrac{k+1}{k^2}} $$Or : $ \vert  \dfrac {\sqrt [k] {{a_{n+1}}^{k+1}} - \sqrt [k] {{a_{n}}^{k+1}}}{y_{n+1} - y_n} \vert= \vert  \sqrt [k] {{a_{n+1}}^{k+1}} - \sqrt [k] {{a_{n}}^{k+1}} \vert <  {a_n}^{- \dfrac{k+1}{k^2}} $
Then $\forall \epsilon > 0, \exists  N, \forall n > N \Longrightarrow \vert  \dfrac {\sqrt [k] {{a_{n+1}}^{k+1}} - \sqrt [k] {{a_{n}}^{k+1}}}{y_{n+1} - y_n} \vert < {a_n}^{- \dfrac{k+1}{k^2}}  < \epsilon$ or $ \lim_{n \to \infty} {\dfrac {\sqrt [k] {{a_{n+1}}^{k+1}} - \sqrt [k] {{a_{n}}^{k+1}}}{y_{n+1} - y_n} } = 0 $

Since all the conditions are satisfied in Stolz's theorem, then we finally have :
$$    \displaystyle \lim_{n \to \infty} {\dfrac {\sqrt [k] {{a_{n+1}}^{k+1} } } {n+1}}
=\displaystyle \lim_{n \to \infty} {\dfrac {\sqrt [k] {{a_{n+1}}^{k+1}} - \sqrt [k] {{a_{n}}^{k+1}}}{y_{n+1} - y_n} } = 0 $$So $ \lim_{n \to \infty} {\dfrac {{a_n}^{k+1} } {n^{k}}} = 0 $

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 楼主| hbghlyj 发表于 2022-3-17 23:12
it is obvious that $\displaystyle \lim_{n \to \infty} {a_{n}} = + \infty$
这是怎么看出来的啊

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 楼主| hbghlyj 发表于 2022-7-22 08:37

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Czhang271828 发表于 2022-7-22 15:56
hbghlyj 发表于 2022-3-17 23:12
这是怎么看出来的啊

$a_n$ 单调递增. 若有上界, 则有上确界, 即极限; 递推式两侧取极限, 得 $\dfrac{1}{\sqrt[k]{a_n}}\to 0$ 矛盾. 因此只能有 $a_n\to\infty$
无钱佮歹看、无样佮歹生、无汉草佮无文采、无学历佮无能力、无高度无速度无力度共闲无代志。(闽南话)
口号:疼惜生命,远离内卷。

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