怎麼證明該數列不存在初等函式組成的通項公式

時間 2021-05-11 22:08:40

1樓:「已登出」

非常簡單。(最好詳細閱讀並具備基本的代數矩陣知識)

備註:這個數列的「解析延拓」我也用mma寫了一下(過程略,不外示),每一點都滿足L(x+1)=L(x)+1/L(x),並且連續,可導(大概R去除點1均可微)。下文中我們所說的均是這種可「解析延拓「的數列通項是否擁有初等函式表示式。

請不要自己想象「我隨便構造乙個也可以連續可導」,不妨先去看看什麼是級數/函式的Uniqueness。關於非「解析延拓」的整數定義域內的數列,樓上已經有非常棒的構造法解決掉了(贊)。

L(x+1)=L(x)+1/L(x)

STEP 1

將a(n+1)=a(n)+1/a(n)寫成這樣的形式:

a(n+1)=f(a(n)),f(x)=x+1/x

概念引入:函式復合(Composition)指兩個函式相互巢狀,例如f(g(x))是f對g的左復合,類似於矩陣乘法。迭代(Iteration)指乙個函式對自己的復合,f(f(x))稱為f的2次迭代,類似於矩陣冪。

簡單閉合解(Elementary closed-form solution)即初等函式構成的,有固定形式的迭代解,固定形式指函式(遞推)方程等號只有一邊有f(x)。

於是a(n+1)=f(a(n))=f(f(a(n-1)))=....=f的n次迭代(a(1)),a(1)=1

該問題可以轉化為:f(x)的迭代是否有簡單閉合解?

STEP 2

記清楚這三條Theorem就好,如果看不懂,可以繞過STEP 2和3直接到底。

Theorem 1

若函式f(x)是一次函式與反比函式的復合,其迭代通常具有閉合解。在這裡一次函式指L(x)=kx+b (k≠0),反比函式指R(x)=c/x。不難,自證。

Theorem 2

若函式f(x)是關於g(x)與h(x)的對角復合,且g或h具有迭代閉合解,則f也有閉合迭代解。對角復合相當於矩陣的對角化。不難,自證。

Theorem 3

若函式f的任意簡單復合均沒有閉合迭代解,則函式f不具有閉合簡單迭代解。這個就涉及到一丶丶群論,但是也不難,你怎麼用初等函式結合變換都不能出個閉合解說明你根本解不出來。

到這裡我們就可以大概明白了,若函式不能對角分解或復合而且有閉合的簡單迭代,它就必須是1次或-1次的。(強調一下次數問題,若還不明請繼續看下文)

STEP 3

有了這三條「Theorem」其實我們大概明白迭代的基本套路了,它相當於乙個環,在這個環上的乘法單位元是恒等變換,加法單位元是0,再稍微構思一下,不難發現,對於

f(x)=x+1/x

沒有簡單復合(初等函式)可以使f(x)擁有(唯一的)閉合迭代解。我可以隨意做變換(eg.):

f(x)=g(h(x)),h(x)=x+1,g(t)=t/x

對於h沒有簡單閉合迭代(這裡也指連續可導的)解,所以不能。可以自己解一下a(n+1)=a(n)+1,按照STEP 1,只要這個有初等函式解,f就有五成機率有初等函式解。再來試試另一種變換,這次換個「對角」的:

f(x)=g(h(g^-1(x))),g(x)=1/x,得到相似函式h(x)=x/(x+1),這又是個(負)2次的,也沒有初等閉合嗷。

不論我選用怎樣的初等函式變換,f(x)=x+1/x都無法擁有閉合的且唯一的簡單迭代解(也就是次數一直為2,並且不能拆成「有初等函式構造的迭代的2次函式」的對角復合的形式),返回STEP 1,可知a(n)不具有初等函式構成的通項公式。

(這裡是底)其實就算沒有懂STEP 2在說些什麼,我們也可以知道,函式f(x)是沒有唯一逆函式的,逆函式又是函式的-1次迭代。你連-1次都寫不出,n次的就更別想了。當然,可以寫2 3 4 5次的,畢竟a(2)什麼的可以用遞推式直接得到。

這也就順便證明了a(n+1)=a(n)+1沒有初等函式構造的解(此處也指可「解析延拓」的連續解)。

對於a(n),我們有能力和理論支援可以寫出a(n)的級數,也就是說函式f的迭代可解析延拓,這裡我不放出級數了,有能力的同學可以思考下。(a(n)為1/2次階)

謝絕槓精,槓精先動腦自己思考嗷。沒看懂就不要多bb。

2樓:

數列 ,, ,則 .

顯然只要證明 關於 的表示式: , 不是初等函式構成的就行.

觀察可知,

由上式可得,

令 ,則 0" eeimg="1"/>恆成立,由觀察可知,單調遞增,

所以 單調遞減,且有 .

又因為 ,所以有 .

結合前式得,

.所以我們考察不等式 ,

0,\exists N>0, \forall n >N, \left| \frac -\frac}\right |<\varepsilon" eeimg="1"/>

我們可以利用調和級數來做一些事情,

所以 易知

是不收斂的,

顯然可得 也是不收斂的.

顯然是收斂的.

令 或是

令 又有

p.s:

關於解題思路,先是做了展開,觀察 的結構,想做成乙個連分數的形式,但結構一時想不起來好的切入點,在這停滯了大約倆三個小時。

先這樣放著吧,等過段時間,有好的想法再做。

19.7.24

歲末重新回看了原來的過程,先做到這步,停在這先。

19.12.31

接下來要找方法考察數列了。

20.5.24

但畢業多年某些關鍵知識點忘記了,或是未曾涉及過,卡殼了,放在這裡等有了新的想法再說吧。

20.12.22

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