Анализ решения задачи с рекуррентой: последовательность задается a_{n+1} = sqrt(1 + a_n), a_1 = 1. Исследуйте сходимость, предел и скорость сходимости, объясните применение монотонности и ограниченности
Ответ: 1) Фиксированные точки и предел. Пусть предел существует и равен LLL. Тогда L=1+L⟹L2−L−1=0,
L=\sqrt{1+L}\quad\Longrightarrow\quad L^2-L-1=0, L=1+L⟹L2−L−1=0,
откуда L=1+52L=\dfrac{1+\sqrt5}{2}L=21+5 или L=1−52L=\dfrac{1-\sqrt5}{2}L=21−5. Поскольку все члены последовательности положительны, остаётся L=φ=1+52.
L=\varphi=\dfrac{1+\sqrt5}{2}. L=φ=21+5. 2) Монотонность. Введите f(x)=1+xf(x)=\sqrt{1+x}f(x)=1+x. Функция fff возрастает на [−1,∞)[-1,\infty)[−1,∞). Так как a1=1a_1=1a1=1 и a2=2>1a_2=\sqrt2>1a2=2>1, то по индукции: если an≥an−1a_n\ge a_{n-1}an≥an−1, то an+1=f(an)≥f(an−1)=an.
a_{n+1}=f(a_n)\ge f(a_{n-1})=a_n. an+1=f(an)≥f(an−1)=an.
Значит последовательность монотонно неубывает (an+1≥ana_{n+1}\ge a_nan+1≥an). 3) Ограниченность. Покажем, что an<φa_n<\varphian<φ для всех nnn. Так как a1=1<φa_1=1<\varphia1=1<φ и fff возрастает, из an<φa_n<\varphian<φ следует an+1=f(an)<f(φ)=φ.
a_{n+1}=f(a_n)<f(\varphi)=\varphi. an+1=f(an)<f(φ)=φ.
Поэтому последовательность ограничена сверху числом φ\varphiφ. Вместе с монотонностью это даёт сходимость к пределу φ\varphiφ. 4) Скорость сходимости. Производная f′(x)=121+x
f'(x)=\frac{1}{2\sqrt{1+x}} f′(x)=21+x1
на отрезке [1,φ][1,\varphi][1,φ] имеет максимум при x=1x=1x=1: возьмём константу сжатия q=supx∈[1,φ]f′(x)=f′(1)=122≈0.3535<1.
q=\sup_{x\in[1,\varphi]}f'(x)=f'(1)=\frac{1}{2\sqrt2}\approx0.3535<1. q=x∈[1,φ]supf′(x)=f′(1)=221≈0.3535<1.
Тогда для всех nnn∣an+1−φ∣=∣f(an)−f(φ)∣≤q ∣an−φ∣
|a_{n+1}-\varphi|=|f(a_n)-f(\varphi)|\le q\,|a_n-\varphi| ∣an+1−φ∣=∣f(an)−f(φ)∣≤q∣an−φ∣
и, итерацией, ∣an−φ∣≤q n−1∣a1−φ∣.
|a_n-\varphi|\le q^{\,n-1}|a_1-\varphi|. ∣an−φ∣≤qn−1∣a1−φ∣.
Асимптотически отношение ошибок стремится к значению производной в фиксированной точке: an+1−φan−φ→f′(φ)=12φ≈0.3090,
\frac{a_{n+1}-\varphi}{a_n-\varphi}\to f'(\varphi)=\frac{1}{2\varphi}\approx0.3090, an−φan+1−φ→f′(φ)=2φ1≈0.3090,
то есть сходимость линейная (геометрическая) с фактором примерно 0.3090.3090.309 (асимптотически) и с глобальной оценкой сжатия q=1/(22)q=1/(2\sqrt2)q=1/(22). Кратко: последовательность монотонно возрастает, ограничена сверху φ\varphiφ, следовательно сходится к φ=(1+5)/2\varphi=(1+\sqrt5)/2φ=(1+5)/2; сходимость геометрическая (линейная) с асимптотическим множителем f′(φ)=1/(2φ)f'(\varphi)=1/(2\varphi)f′(φ)=1/(2φ).
1) Фиксированные точки и предел. Пусть предел существует и равен LLL. Тогда
L=1+L⟹L2−L−1=0, L=\sqrt{1+L}\quad\Longrightarrow\quad L^2-L-1=0,
L=1+L ⟹L2−L−1=0, откуда L=1+52L=\dfrac{1+\sqrt5}{2}L=21+5 или L=1−52L=\dfrac{1-\sqrt5}{2}L=21−5 . Поскольку все члены последовательности положительны, остаётся
L=φ=1+52. L=\varphi=\dfrac{1+\sqrt5}{2}.
L=φ=21+5 .
2) Монотонность. Введите f(x)=1+xf(x)=\sqrt{1+x}f(x)=1+x . Функция fff возрастает на [−1,∞)[-1,\infty)[−1,∞). Так как a1=1a_1=1a1 =1 и a2=2>1a_2=\sqrt2>1a2 =2 >1, то по индукции: если an≥an−1a_n\ge a_{n-1}an ≥an−1 , то
an+1=f(an)≥f(an−1)=an. a_{n+1}=f(a_n)\ge f(a_{n-1})=a_n.
an+1 =f(an )≥f(an−1 )=an . Значит последовательность монотонно неубывает (an+1≥ana_{n+1}\ge a_nan+1 ≥an ).
3) Ограниченность. Покажем, что an<φa_n<\varphian <φ для всех nnn. Так как a1=1<φa_1=1<\varphia1 =1<φ и fff возрастает, из an<φa_n<\varphian <φ следует
an+1=f(an)<f(φ)=φ. a_{n+1}=f(a_n)<f(\varphi)=\varphi.
an+1 =f(an )<f(φ)=φ. Поэтому последовательность ограничена сверху числом φ\varphiφ. Вместе с монотонностью это даёт сходимость к пределу φ\varphiφ.
4) Скорость сходимости. Производная
f′(x)=121+x f'(x)=\frac{1}{2\sqrt{1+x}}
f′(x)=21+x 1 на отрезке [1,φ][1,\varphi][1,φ] имеет максимум при x=1x=1x=1: возьмём константу сжатия
q=supx∈[1,φ]f′(x)=f′(1)=122≈0.3535<1. q=\sup_{x\in[1,\varphi]}f'(x)=f'(1)=\frac{1}{2\sqrt2}\approx0.3535<1.
q=x∈[1,φ]sup f′(x)=f′(1)=22 1 ≈0.3535<1. Тогда для всех nnn ∣an+1−φ∣=∣f(an)−f(φ)∣≤q ∣an−φ∣ |a_{n+1}-\varphi|=|f(a_n)-f(\varphi)|\le q\,|a_n-\varphi|
∣an+1 −φ∣=∣f(an )−f(φ)∣≤q∣an −φ∣ и, итерацией,
∣an−φ∣≤q n−1∣a1−φ∣. |a_n-\varphi|\le q^{\,n-1}|a_1-\varphi|.
∣an −φ∣≤qn−1∣a1 −φ∣. Асимптотически отношение ошибок стремится к значению производной в фиксированной точке:
an+1−φan−φ→f′(φ)=12φ≈0.3090, \frac{a_{n+1}-\varphi}{a_n-\varphi}\to f'(\varphi)=\frac{1}{2\varphi}\approx0.3090,
an −φan+1 −φ →f′(φ)=2φ1 ≈0.3090, то есть сходимость линейная (геометрическая) с фактором примерно 0.3090.3090.309 (асимптотически) и с глобальной оценкой сжатия q=1/(22)q=1/(2\sqrt2)q=1/(22 ).
Кратко: последовательность монотонно возрастает, ограничена сверху φ\varphiφ, следовательно сходится к φ=(1+5)/2\varphi=(1+\sqrt5)/2φ=(1+5 )/2; сходимость геометрическая (линейная) с асимптотическим множителем f′(φ)=1/(2φ)f'(\varphi)=1/(2\varphi)f′(φ)=1/(2φ).