世界の国564520 views
中学理科1630641 views
いろは3010814 views
高校生物551766 views
高校倫理1440106 views
高校化学2924392 views
中学英語811710 views
MathPython497343 views
LaTeX962153 views
小学社会310485 views
Help
Tools
NewsSpreadsheetCalendarBookkeepingSlidesTier ListPen ToolIllustrationCrayonWatercolorPixel ArtASCII ArtPerspectiveEndless StairsGraphMind MapER DiagramFamily TreeMemeCurved TextImage EditorMosaicRetro FilterPencil SketchSwirl EffectLine ArtOCR/HighlighterMakeup EditorFaviconVideo TrimmerScrolling VideoVideo TitleColor PickerColor ExtractorBonfireFireworksWater RippleWater SplashBreaking GlassWood GrainMarble TextureCSS ButtonIcon MakerBar ChartGrouped Bar ChartStacked Bar ChartPie ChartLine ChartArea ChartStacked Area ChartScatter Plot3D Bar Chart3D Pie ChartBar Chart RaceBubble ChartPopulation PyramidPictogramEarningsCandlestick ChartInvestment RiskMortgage SimulatorCalculatorMatrix CalculatorFunction GraphPolynomial ExpansionVenn DiagramField VisualizerRubik's Cube Group TheoryTraveling SalesmanVoronoi and DelaunayFractalColumn ArithmeticDraw Math FiguresArithmetic AnimationArithmetic Word ProblemsCounting with Tree DiagramsCube NetsRolling DiceCross SectionsMotion PathMechanicsWavesElectromagnetic WavesCapacitorsLight and LensesThermodynamicsHow Semiconductors WorkMolecular StructuresAtomic OrbitalsElectrochemical CellsChemical EquilibriumCrystal LatticesBuffer pHOrganic Reaction MapPeriodic TableComplex IonsDNA Double HelixCell DivisionMembrane ChannelsNerve ImpulseMuscle ContractionHormones and HomeostasisRock ClassificationWeatherConstellationsSolar and Lunar Eclipses3D ModelingFloor PlanSeismic StructuresIntersection TurnMaglevCooking AnimationOrigamiLive Viewer CountGeoJSON MapRailway MapPopulation MapCrime MapLand Price MapSchool MapShrine and Castle MapHouse of Representatives MapWord MapSolitaireReversiHakoiri MusumeChessHamburgerRippleSlide Puzzle MakerNeon PinballNovel MakerJapanese Typing PracticePiano Score EditorMusic TheoryShogi StrategyPiano Rhythm Game

English

解けない漸化式の極限 - 平均値の定理で差を縮める

の形の漸化式は、一般項が求まらないことがほとんどです。それでも極限だけなら言えます。

道具は平均値の定理です[1] 回進むごとに、目標との差が何倍になるかを押さえます。

階段を上がるように、点が へ寄っていきます。曲線と直線 の交点が、行き着く先です。

行き先を先に決める

極限があるとすれば、それは を満たす値です。両辺の極限をとれば分かります。

なら、 です。両辺を 乗して解きます。

負の解は候補から外れます。 が正なので、極限も負にはなりません。

この を不動点といいます。 で移しても動かない点、という意味です。

平均値の定理で差を縮める

を書き直します。 なので、 つの値の差の形になります。

平均値の定理から、 のあいだのある について次が成り立ちます[2]

となる定数 が見つかれば、差が 倍以下に縮むと言えます。

繰り返して 0 に落とす

同じ評価を 回重ねます。 なら、 に近づく。

はさみうちの原理から です。一般項を求めずに、極限だけが出ました。

例:√2 に近づく数列

を探します。導関数を計算します。

なら なので、

ととれます。差は毎回半分以下になり、 に落ちます。

から始めると、 回進めば より小さくなる計算です。

棒の高さが差の大きさです。毎回半分になるので、あっという間に見えなくなります。

例:ニュートンの方法

を考えます。不動点は

なら から のあいだ。 になります。

この数列は に近づきます。実際の収束は評価よりずっと速く、桁数が毎回倍ほど増えます。

平方根を手計算で求める古い方法として知られています。式の形は難しくないのに、精度がすぐ上がる。

に収束するとき、 が満たす式はどれか。

__RESULT__

漸化式の両辺で とします。左辺も右辺も に近づくので、 が出ます。

確かめるべきこと

答案では、次の順に書きます。

不動点 を求めます。 を解きます。
が動く範囲を決めます。帰納法で示すことが多い。
その範囲で となる を見つけます。
平均値の定理で を書きます。
繰り返して の形にし、はさみうちで結論を出します。

番目を飛ばすと、 の評価が使えません。 がどこにいるかを先に押さえる必要があります[3]

r が 1 以上だとどうなるか

差が縮まないので、この方法では言えません。離れていく場合もあります。

の不動点は です。 の近くでは なので、少しずれると離れていく。

の近くでは なので寄っていきます。同じ漸化式でも、どの不動点かで様子が変わります。

が要るのはなぜか。

  • 平均値の定理が使えないから
  • に近づかないから
  • 不動点が存在しないから
__RESULT__

だと に落ちません。差の評価が意味を持たなくなり、収束が言えなくなります。

押さえるところ

一般項が出なくても、不動点と差の評価で極限が言えます。
不動点は を解いて求めます。
の上界 を、 の動く範囲の上で探します。
なら差が等比数列で押さえられ、 に落ちます。
範囲を帰納法で先に押さえるところが、答案の要になります。

平均値の定理は、証明の中で使われることのほうが多い定理です。この使い方は、その代表例になります。

参考文献

The Mean Value Theorem - Calculus Volume 1, OpenStax
Mittelwertsatz der Differentialrechnung - Wikipedia(ドイツ語)
Derivatives and the Shape of a Graph - Calculus Volume 1, OpenStax
$x_{n+1} = f(x_n)$ の一般項が出なくても、極限だけなら言えます。行き先は $\alpha = f(\alpha)$ を解いて決め、差を $|x_{n+1}-\alpha| \le r|x_n-\alpha|$ と押さえる。$r<1$ なら等比数列で $0$ に落ちます。$\sqrt{2+x_n}$ が階段を上がるように $2$ へ寄る図と、差が毎回半分になる図をつけました。範囲を先に押さえる手順まで。