求证递推序列$s_{n+1} = \frac{1}{2}(s_n+\frac{3}{s_n})$在n≥2时单调递减
Hey,我来帮你搞定这个归纳卡壳的问题!其实你不用硬盯着归纳假设 $s_{k+1}<s_k$ 死磕,换个先证明序列下界的角度,问题就迎刃而解了。这个递推式本质是牛顿迭代法求 $\sqrt{3}$ 的公式,咱们利用它的这个特性来突破:
证明序列在 $n≥2$ 时单调递减的步骤
第一步:先证 $n≥2$ 时,所有 $s_n > \sqrt{3}$
用均值不等式(AM ≥ GM)就能轻松推导:
对于任意正数 $x$,都有 $\frac{1}{2}(x + \frac{3}{x}) ≥ \sqrt{x \cdot \frac{3}{x}} = \sqrt{3}$,等号成立当且仅当 $x=\sqrt{3}$。
已知 $s_2=2>\sqrt{3}$,咱们用归纳法巩固这个结论:
- 基例:$n=2$ 时,$s_2=2>\sqrt{3}$ 成立;
- 归纳假设:假设对于某个 $k≥2$,$s_k>\sqrt{3}$;
- 归纳步骤:$s_{k+1}=\frac{1}{2}(s_k+\frac{3}{s_k})≥\sqrt{3}$,又因为 $s_k≠\sqrt{3}$,所以 $s_{k+1}>\sqrt{3}$。
由此可得,所有 $n≥2$ 时,$s_n>\sqrt{3}$。
第二步:证明 $s_{k+2} < s_{k+1}$
现在咱们直接计算两项的差值,看它的符号:
s_{k+1} - s_{k+2} = s_{k+1} - \frac{1}{2}(s_{k+1} + \frac{3}{s_{k+1}}) = \frac{1}{2}s_{k+1} - \frac{3}{2s_{k+1}} = \frac{s_{k+1}^2 - 3}{2s_{k+1}}
结合第一步的结论,$s_{k+1}>\sqrt{3}$:
- 分子 $s_{k+1}^2 - 3 > 0$;
- 分母 $2s_{k+1} > 0$。
所以整个差值大于0,也就是 $s_{k+1} > s_{k+2}$。
再结合你已经算出的基例 $s_3<s_2$,就可以得出结论:当 $n≥2$ 时,这个序列是单调递减的。
内容的提问来源于stack exchange,提问作者AruniRC
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