MathLabs

第6問

任意の実数 x1x_1 に対して、xn+1=xn(xn+1n)x_{n+1}=x_n\left(x_n+\frac1n\right) により数列を定める。すべての nn について 0<xn<xn+1<10<x_n<x_{n+1}<1 となる x1x_1 がただ一つ存在することを証明せよ。
ステップ 2/5: 初期値を区間に閉じ込める
ざっくり言うと

各区間は nn 回後に変動する下限と上限 11 の間へ到達する初期値からなる。区間は両側から狭まる。

Sn(an)=1−1n,Sn(bn)=1,an<bnS_n(a_n)=1-\frac1n,\qquad S_n(b_n)=1,\qquad a_n<b_n
最初の非自明な不動点の段階で用いる写像 u↦u(u+1/2)u\mapsto u(u+1/2)。
二次写像 $y=u^2+u/2$ のグラフ。
詳しい解説

連続性と狭義単調性より、Sn(an)=1−1/nS_n(a_n)=1-1/n, Sn(bn)=1S_n(b_n)=1 を満たす一意な an,bn∈(0,1)a_n,b_n\in(0,1) が存在する。写像 u↦u(u+1/n)u\mapsto u(u+1/n) は u=1−1/nu=1-1/n を固定するので、第一式から Sn−1(an)=1−1/nS_{n-1}(a_n)=1-1/n も得られる。この境界点で漸化式を比較すると an<an+1a_n<a_{n+1}, bn>bn+1b_n>b_{n+1}。従って閉区間 [an,bn][a_n,b_n] は入れ子になる。