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 5/5: 区間の収縮で一意性を示す
ざっくり言うと

二つの候補はすべての区間に入らなければならないが、区間は任意の正の距離より狭くなる。生き残れる初期値は一つだけである。

bn−an≤bnn<1n⟶0b_n-a_n\le\frac{b_n}{n}<\frac1n\longrightarrow0
詳しい解説

任意の適切な x1x_1 は xn+1=Sn(x1)x_{n+1}=S_n(x_1) が 1−1/n1-1/n と 11 の間にあるため、すべての nn で an<x1<bna_n<x_1<b_n を満たす。一点以下であることを示す。SnS_n は非負係数を持つので [0,bn][0,b_n] で凸である。Sn(0)=0S_n(0)=0, Sn(bn)=1S_n(b_n)=1 より凸性から Sn(x)≤x/bnS_n(x)\le x/b_n。x=anx=a_n とすれば 1−1/n≤an/bn1-1/n\le a_n/b_n、従って bn−an≤bn/n<1/n→0b_n-a_n\le b_n/n<1/n\to0。共通部分は一つの点だけである。