解決済み

この問題、背理法以外でいけませんか?nは自然数です。

自分はなぜか背理法を思いつかなかったので、数列の特徴で場合分けしました。

①数列が定数列

②数列のどこかに値が上がる番号nがある場合

③数列がどの項も異なる減少数列で、全てのiに対して ai+1<12aia_{i+1}<\dfrac{1}{2}a_{i}

です。①②の場合は簡単に示せるのですが、③をどうすればいいのか分かりません。。。。

こんな問題背理法一択だろ!という気持ちもとても分かりますが、、なんとかよろしくお願いします🤲

補足

③に不足がありました。減少数列かつa(i +1)>(1/2)a(i)となるiが存在する場合も簡単に示せます


ベストアンサー

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単調減少数列 {an}\{a_n\}an0(n)a_n\to0(n\to\infty) であるから数列 {an+112an}\{a_{n+1}-\frac{1}{2}a_n\} は0に収束し、また an+112an<0a_{n+1}-\frac{1}{2}a_n\lt0 であるから数列 {an+112an}\{a_{n+1}-\frac{1}{2}a_n\} は単調増加である。


よって、

ak12ak1pak+112ak>p\begin{align*}a_{k}-\dfrac{1}{2}a_{k-1}&\leqq-p\\a_{k+1}-\dfrac{1}{2}a_{k}&\gt-p\end{align*}

となるkkが存在する。


返信(4件)

恐縮ですが、頭が硬くて理解ができないためもう少し柔らかめにすることは可能でしょうか?

補足

よって、以降が急に飛んでいる気分です。

数列bn=an+112anb_n=a_{n+1}-\dfrac{1}{2}a_nとしたとき、任意のiibi<0b_i\lt0ですよね?

そしてbnb_nは単調増加かつbn0b_n\to0だから、例えばy=f(x)=1xy=f(x)=-\dfrac{1}{x}のような形をしているわけです。

このときbk>pb_k\gt-pとなるkkの存在が言えればよいのですが。


上で上げた関数を例にすれば

p=2p=2のときf(1)>2f(1)\gt-2

p=0.3p=0.3のときf(4)>0.3f(4)\gt-0.3

p=0.001p=0.001のときf(1001)>0.001f(1001)\gt-0.001

ですよね。


このように考えれば、どんなppであっても下からどんどんp-pに近づいていって、その後必ずbk>pb_k\gt-pとなるkkは存在しますよ、ということです。

以前に少しお話した極限の定義は覚えているでしょうか。


数列{an}\{a_n\}aaに収束するとは

任意のϵ>0\epsilon\gt0に対し自然数NNが存在して、n>Nn\gt Nのとき

ana<ϵ|a_n-a|\lt\epsilon

が成り立つことである。


この定義に戻って考えてみましょう。

bnb_nが0に収束するので、

任意のϵ>0\epsilon\gt0に対し自然数NNが存在して、n>Nn\gt Nのとき

bn<ϵ|b_n|\lt\epsilon

です。bn>0b_n\gt0なので絶対値を外せば

bn<ϵ-b_n\lt\epsilon

つまり

bn>ϵb_n\gt-\epsilon

ですから、ϵ=12p\epsilon=\dfrac{1}{2}pとでもしてやれば

bn>ϵ=12p>pb_n\gt-\epsilon=-\dfrac{1}{2}p\gt-p

となります。


(続く)

補足

訂正

10行目

bn>0  bn<0b_n\gt0\ \Longrightarrow\ b_n\lt0

よって

「数列{bn}\{b_n\}00に収束するので

ϵ=12p>0\epsilon=\dfrac{1}{2}p\gt0に対し自然数NNが存在して、n>Nn\gt Nのとき

bn>12p>pb_n\gt-\dfrac{1}{2}p\gt-p

が成り立つ。」


ことがいえる。

というのが理論的な考え方です。

質問者からのお礼コメント

質問者からのお礼コメント

理解できました。丁寧にありがとうございます。減少数列とか増加数列という情報に収束値があればかなり情報がでてくるということが分かりました。それと、

新しい数列を置くことも大事だと気付けました。

そのほかの回答(1件)

③ではa(n)は0に収束するので、a(n+1)-(1/2)a(n)は負の値を取りつついくらでも0に近づくことができる。よってあるnについて前述の式を-pより大きくすることができる。

返信(1件)

恐縮ですが、頭が硬くて理解ができないためもう少し柔らかめにすることは可能でしょうか?