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求解递推式$a_{n+1} = \frac{a_{n}}{a_{n}-1}$:维基方法无效求正确方向

求解递推式 $a_{n+1} = \frac{a_n}{a_n - 1}$ 的有效方法

嘿,这个分式递推式其实用倒数变换就能轻松搞定,我给你一步步拆解:

  1. 倒数转换,简化递推关系
    先对原递推式两边取倒数,这是处理这类分式递推的常用技巧:
    $$\frac{1}{a_{n+1}} = \frac{a_n - 1}{a_n} = 1 - \frac{1}{a_n}$$
    咱们令 $b_n = \frac{1}{a_n}$,这样递推式就变成了更简单的线性关系:
    $$b_{n+1} = -b_n + 1$$

  2. 求解线性递推的通解
    这是个线性非齐次递推,咱们分两步来:

    • 先看齐次方程:$b_{n+1} = -b_n$,它的通解是 $b_n^{(h)} = C(-1)^n$,这里C是任意常数。
    • 再找非齐次方程的特解:因为右边是常数1,假设特解是常数 $b^$,代入得 $b^ = -b^* + 1$,解得 $b^* = \frac{1}{2}$。
    • 把齐次解和特解加起来,就是完整通解:
      $$b_n = C(-1)^n + \frac{1}{2}$$
  3. 换回原变量,得到$a_n$的表达式
    把 $b_n = \frac{1}{a_n}$ 代回去,整理一下:
    $$a_n = \frac{1}{C(-1)^n + \frac{1}{2}} = \frac{2}{2C(-1)^n + 1}$$

  4. 用初始条件确定常数C
    假设你有初始值 $a_0 = k$(注意k≠1,否则递推式分母为0,无意义),代入n=0:
    $$\frac{1}{k} = C + \frac{1}{2} \implies C = \frac{2 - k}{2k}$$
    把C代入$a_n$的表达式,就能得到带初始条件的具体解:
    $$a_n = \frac{2k}{(2 - k)(-1)^n + k}$$

你可以验证一下,比如取$a_0=3$,$a_1=3/(3-1)=3/2$,代入公式得$a_1=2*3/[(2-3)(-1)+3]=6/(1+3)=3/2$,完全正确;$a_2=(3/2)/(3/2-1)=3$,公式里$a_2=6/[(2-3)(1)+3]=6/(-1+3)=3$,能明显看出这个序列是周期为2的循环~

另外补充一句,这类分式线性递推(也叫Möbius变换递推),除了倒数变换,也可以用特征方程法,但对这个具体问题来说,倒数变换是最直接高效的。

内容的提问来源于stack exchange,提问作者Freddie

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