求解非线性递推关系$a_{n+1}=rac{10}{7-a_{n}}$(初始条件$a_1=4$)的困惑求助
嘿,我来帮你理清楚这个递推的解法!你遇到的这种分式线性递推(也就是形如$a_{n+1}=\frac{Ax_n+B}{Cx_n+D}$的递推),最常用的方法是不动点法,比迭代靠谱多了,咱们一步步拆解:
第一步:找递推的不动点
不动点就是满足$x=\frac{10}{7-x}$的x值,解这个方程:
$$
x(7-x)=10 \implies x^2-7x+10=0
$$
因式分解得$(x-2)(x-5)=0$,所以两个不动点是$x=2$和$x=5$。
第二步:构造辅助等比数列
对于有两个不同不动点的分式递推,我们可以构造新序列$b_n=\frac{a_n-2}{a_n-5}$,这个序列会变成等比数列,咱们验证一下:
$$
b_{n+1}=\frac{a_{n+1}-2}{a_{n+1}-5}=\frac{\frac{10}{7-a_n}-2}{\frac{10}{7-a_n}-5}
$$
对分子分母分别通分计算:
- 分子:$10-2(7-a_n)=10-14+2a_n=2(a_n-2)$
- 分母:$10-5(7-a_n)=10-35+5a_n=5(a_n-5)$
代入后可得:
$$
b_{n+1}=\frac{2(a_n-2)}{5(a_n-5)}=\frac{2}{5} \cdot \frac{a_n-2}{a_n-5}=\frac{2}{5}b_n
$$
没错,$b_n$是公比为$\frac{2}{5}$的等比数列!
第三步:求辅助序列的通项
先算初始项$b_1$,已知$a_1=4$:
$$
b_1=\frac{4-2}{4-5}=\frac{2}{-1}=-2
$$
等比数列的通项公式是$b_n=b_1 \cdot q^{n-1}$,代入得:
$$
b_n=-2 \cdot \left(\frac{2}{5}\right){n-1}=-\frac{2n}{5^{n-1}}
$$
第四步:还原回原序列$a_n$
把$b_n=\frac{a_n-2}{a_n-5}$代入通项,解方程求$a_n$:
$$
\frac{a_n-2}{a_n-5}=-\frac{2n}{5{n-1}}
$$
交叉相乘展开:
$$
(a_n-2) \cdot 5{n-1}=-2n(a_n-5)
$$
把含$a_n$的项移到左边,常数项移到右边:
$$
a_n \cdot 5^{n-1} + 2^n a_n =5 \cdot 2^n + 2 \cdot 5^{n-1}
$$
提取$a_n$并两边乘以5简化:
$$
a_n(5^n +5 \cdot 2^n)=25 \cdot 2^n +2 \cdot 5^n
$$
最后整理出$a_n$:
$$
a_n=\frac{25 \cdot 2^n +2 \cdot 5n}{5n +5 \cdot 2^n}=2+\frac{15 \cdot 2n}{5n +5 \cdot 2^n}
$$
这就和你提到的结果完全一致啦!
另外说一句,迭代法确实容易陷入嵌套分式的混乱,看不出规律,而生成函数对这种非线性递推也不太友好,不动点法才是这类问题的标准解法哦。
备注:内容来源于stack exchange,提问作者Reuben Miller




