Demostrar que una secuencia $\{a_n\}_n$definido por $a_1=-\frac14$y $-a_{n+1}=\frac{a_na_{n+1}+4}4$es convergente y encuentra su límite.

Jan 29 2021

Me gustaría verificar mi intento y deducción. La tarea es la siguiente:

Demostrar que una secuencia$\{a_n\}_n$definido por$a_1=-\frac14$y$$-a_{n+1}=\frac{a_na_{n+1}+4}4$$es convergente y encuentra su límite.

Esto es lo que tengo hasta ahora:

$$-a_{n+1}=\frac{a_na_{n+1}+4}4\iff a_{n+1}(a_n+4)+4=0\tag 1$$

Calculé algunos términos:

$a_2(a_1+4)=-4\implies a_2=-\frac{16}{15}\\a_3(a_2+4)=-4\implies a_3=-\frac{15}{11}\\a_4(a_3+4)=-4\implies a_4=-\frac{44}{29}$

supuse$a_n<0\quad\forall n\in\Bbb N$.

Entonces, desde$(1)$y$a_{n+1}<0$, sigue

$\begin{aligned}a_{n+1}(a_n+4)&=-4\\\implies a_n+4&>0\\\implies a_n&>-4\end{aligned}$

Entonces, inductivamente, si$\,0>a_1>\ldots>a_{m-1}>a_m$para algunos$m\in\Bbb N,$tenemos$\begin{aligned}a_{m-1}+4&>a_m+4>0\\\implies \frac1{a_{m-1}+4}&<\frac1{a_m+4}\\\implies \color{red}{a_m}=-\frac4{a_{m-1}+4}&>-\frac4{a_m+4}=\color{red}{a_{m+1}}\end{aligned}$

Entonces, la secuencia$\{a_n\}_n$es monótona y acotada y, por tanto, convergente.

Además, podemos probar una afirmación más fuerte:

$a_n>-2\quad\forall n\in\Bbb N$.

$$\begin{aligned}a_n+4&>-2+4=2>0\\\implies -\frac1{a_n+4}&>-\frac12\\\implies a_{n+1}=-\frac4{a_n+4}&>-\frac42=-2\end{aligned}$$

Introduciendo el límite en$(1)$, obtenemos$$L^2+4L+4=(L+2)^2=0\iff L=-2$$

Por eso,$\lim\limits_{n\to\infty}a_n=-2$.

¿Hay algún error en mis suposiciones y conclusiones y debo hacer algunos pasos en un orden diferente?

Sé que no pude probar$a_n<0\quad\forall n$por inducción ya que la función$f:\Bbb R\setminus\{-4\}\to\Bbb R\setminus\{0\}$definido por$$f(x)=-\frac4{x+4}$$no es monotónico en todo el dominio, solo en$(-\infty,-4)$y$(-4,+\infty)$por separado.

Además, cuando consideré escribir$a_n=\frac{x_n}{y_n}$y luego$$\begin{aligned}a_{n+1}&=\frac{x_{n+1}}{y_{n+1}}\\&=-\frac4{\frac{x_n}{y_n}+4}\\&=\frac{-4y_n}{x_n+4y_n}\end{aligned}$$y suponiendo$x_{n+1}=-4y_n$y$y_{n+1}=x_n+4y_n$, obtuve la recurrencia homogénea$$\begin{aligned}y_{n+1}&=-4y_{n-1}+4y_n\\\iff y_{n+1}-4y_n+4y_{n-1}&=0\end{aligned}$$con un polinomio característico$$\lambda^2-4\lambda+4=(\lambda-2)^2$$con una raíz múltiple, así que pensé en complicarlo demasiado.

¡Muchas gracias!

Respuestas

2 ZAhmed Jan 29 2021 at 23:26

$$-4A_{n+1}=A_n A_{n+1}+4$$

Dejar$A_n=\frac{B_{n-1}}{B_n}$ $$-4\frac{B_n}{B_{n+1}}=\frac{B_{n-1}}{B_n} \frac{B_n}{B_{n+1}}+4$$ $$\implies 4B_{n+1}+4 B_n+B_{n-1}=0$$Dejar$B_n=t^n$, luego$$\implies 4t+4+t^{-1}\implies t=-1/2.$$Luego$B_n=(Pn+Q)(-2)^{-n}$,$$ A_n=-2\frac{P(n-1)+Q}{Pn+Q}=-2\frac{n-1+R}{n+R}$$ $$A_1=-1/4 \implies R=1/7.$$Finalmente, tenemos la solución a$(1)$como$$A_n=\frac{12-14n}{7n+1} \implies \lim_{n \to \infty}A_n=-2.$$

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