实数列收敛性求助:非单调递归数列的收敛与极限证明
嘿,我来帮你搞定这个数列收敛的证明!既然你已经搞定了非单调性的证明,那接下来可以从奇偶子列的单调性+收敛性入手,或者用压缩映射原理,这里先给你讲最直观的奇偶子列方法,步骤很清晰:
首先先算前几项观察规律:
$$b_1=0,\ b_2=\frac{3-02}{2}=1.5, b_3=\frac{3-1.52}{2}=0.375,\ b_4≈1.4297,\ b_5≈0.4775$$
能看出奇数项$b_1,b_3,b_5...$在递增,偶数项$b_2,b_4,b_6...$在递减,我们可以分别证明这两个子列单调有界(从而收敛),再证明它们的极限相同。
1. 证明奇子列${b_{2k-1}}$单调递增且有上界
用数学归纳法:
- 基例:$b_1=0 < b_3=0.375$,且$b_1 < 1$,成立;
- 归纳假设:假设对任意$k$,有$b_{2k-1} < b_{2k+1}$且$b_{2k-1} < 1$;
- 归纳步骤:令$x=b_{2k+1}$,则$b_{2k+3}=\frac{3 - (\frac{3-x2}{2})2}{2}$,计算差值:
$$b_{2k+3}-b_{2k+1}=\frac{3 - (\frac{3-x2}{2})2}{2} - x$$
化简分子部分:
$$12 - (9-6x2+x4) -8x = -x4+6x2-8x+3=-(x-1)^3(x+3)$$
因为$x=b_{2k+1}<1$且$x>0$,所以$(x-1)^3<0$,$(x+3)>0$,整体分子为正,因此$b_{2k+3}-b_{2k+1}>0$,即奇子列递增。
同时,由$b_{2k+1}=\frac{3 - b_{2k}^2}{2}$,而$b_{2k}=\frac{3 - b_{2k-1}^2}{2}>\frac{3-1}{2}=1$,所以$b_{2k+1}<\frac{3-1}{2}=1$,即奇子列有上界1。
根据单调有界定理,奇子列${b_{2k-1}}$收敛,设极限为$L$。
2. 证明偶子列${b_{2k}}$单调递减且有下界
同样用数学归纳法:
- 基例:$b_2=1.5 > b_4≈1.4297$,且$b_2>1$,成立;
- 归纳假设:假设对任意$k$,有$b_{2k} > b_{2k+2}$且$b_{2k}>1$;
- 归纳步骤:令$y=b_{2k+2}$,类似上面的推导,计算$b_{2k+4}-b_{2k+2}$会得到分子为$-(y-1)3(y+3)$。因为$y=b_{2k+2}>1$,所以$(y-1)3>0$,整体分子为负,因此$b_{2k+4}-b_{2k+2}<0$,即偶子列递减。
同时,由$b_{2k+2}=\frac{3 - b_{2k+1}^2}{2}$,而$b_{2k+1}<1$,所以$b_{2k+2}>\frac{3-1}{2}=1$,即偶子列有下界1。
根据单调有界定理,偶子列${b_{2k}}$收敛,设极限为$M$。
3. 证明$L=M$
因为奇子列收敛到$L$,所以$b_{2k+1}\to L$,则$b_{2k+2}=\frac{3 - b_{2k+1}2}{2}\to\frac{3-L2}{2}=M$;
同时偶子列收敛到$M$,所以$b_{2k}\to M$,则$b_{2k+1}=\frac{3 - b_{2k}2}{2}\to\frac{3-M2}{2}=L$。
得到方程组:
$$\begin{cases}M=\frac{3-L2}{2}\L=\frac{3-M2}{2}\end{cases}$$
两式相减:
$$M-L=\frac{M2-L2}{2}=\frac{(M-L)(M+L)}{2}$$
移项得:
$$(M-L)\left(1-\frac{M+L}{2}\right)=0$$
若假设$M≠L$,则$M+L=2$,代入$L=\frac{3-M^2}{2}$得:
$$2-M=\frac{3-M^2}{2}\implies M2-2M+1=0\implies(M-1)2=0$$
即$M=1$,则$L=1$,矛盾。因此只能$L=M=1$。
综上,原数列的奇偶子列都收敛到1,故原数列收敛,极限为1。
考虑迭代函数$f(x)=\frac{3-x^2}{2}$,直接看$f(x)$的导数$f'(x)=-x$,在区间$[0,\frac{3}{2}]$上$|f'(x)|≤\frac{3}{2}>1$,不满足压缩映射条件,但我们可以看两次迭代的函数$g(x)=f(f(x))$:
$$g(x)=\frac{3-\left(\frac{3-x2}{2}\right)2}{2}$$
计算导数$g'(x)=x\cdot f(x)$,对于奇子列所在的区间$[0,1)$,$|g'(x)|=x\cdot\frac{3-x2}{2}<1$,此时$g(x)$是压缩映射,故奇子列收敛;同理偶子列所在的$(1,\frac{3}{2}]$上,$|g'(x)|=x\cdot\frac{3-x2}{2}<1$(比如$x=1.5$时,$g'(1.5)=1.5\times\frac{3-2.25}{2}=0.5625<1$),因此偶子列也收敛,后续再证明极限一致即可。这种方法更偏向泛函分析视角,如果你学过压缩映射可以尝试。
内容的提问来源于stack exchange,提问作者B.C.W.




