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xn n +(n − 1)xn n = xn ≤x1, which means that the sequence is positive and strictly decreasing

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Academic year: 2021

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Problem 12079

(American Mathematical Monthly, Vol.125, December 2018) Proposed by M. Omarjee (France).

Choosex1 in(0, 1), and let for n ≥ 1,

xn+1= 1 n

Xn k=1

ln(1 + xk).

Compute lim

n→∞xnln(n).

Solution proposed by Roberto Tauraso, Dipartimento di Matematica, Universit`a di Roma “Tor Vergata”, via della Ricerca Scientifica, 00133 Roma, Italy.

Solution. We first note that for n ≥ 1, 0 < xn+1= log(1 + xn)

n +(n − 1)xn n < xn

n +(n − 1)xn

n = xn ≤x1,

which means that the sequence is positive and strictly decreasing. Therefore it has a limit L ∈ [0, 1).

Moreover

n(xn−xn+1) = xn−log(1 + xn) and since for t > 0,

t2 2 −t3

3 < t − log(1 + t) < t2 2, we have that

1 6 =1

2 −1 3 <1

2 −xn

3 < n(xn−xn+1) x2n

< 1 2. Then

x2n

6n < xn−xn+1 =⇒

XN n=1

x2n

n < 6 XN n=1

(xn−xn+1) = 6(x1−xN+1) < 6

which implies that L = 0 otherwise we have a contradiction: the bounded partial sum on the left diverges as n → +∞ . Therefore, by the above inequality, xn →0 implies

n→∞lim

n(xn−xn+1) x2n

=1 2. Finally, by StolzCesaro theorem, we find the desired limit

n→∞lim xnln(n) = lim

n→∞

ln(n) 1/xn

SC= lim

n→∞

ln(n + 1) − ln(n) 1/xn+1−1/xn

= limn→∞ ln(1 + 1/n) − 1 1/n

| {z }

→1

· x2n

n(xn−xn+1)

| {z }

→2

· log(1 + xn) nxn

| {z }

→0

+n − 1

| {z }n

→1

 ) = 2.



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