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vu uu t2 − vu ut2 + s 2 + r 2

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Academic year: 2021

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(1)

Problem 10973

(American Mathematical Monthly, Vol.109, November 2002) Proposed by L. D. Servi (USA).

WithRk(n) defined as below, prove that limk→∞Rk(2)/Rk(3) = 3/2.

Rk(n) =

k square roots

z }| {

vu uu t2 −

vu ut2 +

s 2 +

r

2 + · · · + q

2 +√ n

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

Let f (x) =√

2 + x then for any starting point x ∈ (−2, 2) the iterates fk(x) is an increasing sequence which converges to the attracting fixed point 2. Moreover

Rk(n) = q

2 − fk−1(n − 2) and lim

k→∞

Rk(2) Rk(3) = lim

k→∞

s

2 − fk(0) 2 − fk(1). First note that

2 − fk−1(x) = 4 − (fk−1(x))2

2 + fk−1(x) = 4 − (2 + fk−2(x))2

2 + fk−1(x) = 2 − fk−2(x) (fk(x))2 and therefore going backward

2 − fk−1(x) = 2 − fk−2(x)

(fk(x))2 = 2 − fk−3(x)

(fk(x)fk−1(x))2 = · · · = 2 − f0(x)

(fk(x)fk−1(x) · · · f2(x))2. Since 2f(x) = 1/√

2 + x = 1/f (x) then

2k(fk(x))f (x) = 1

fk(x)fk−1(x) · · · f2(x) and we obtain the precious identity

4 − (fk(x))2= 2 − fk−1(x) = 2 − x

(fk(x)fk−1(x) · · · f2(x))2 = (4 − x2) · (2k(fk(x)))2. Let yk(x) = fk(x) and solve the following differential equation under the condition yk(2) = 2

p4 − (yk(x))2=p

4 − x2· 2kyk(x).

Then

2k Z yk(x)

2

dy p4 − y2 =

Z x 2

√ dx 4 − x2, and integrating we find that

2karccos yk(x) 2



= arccos x 2

.

So we have an explicit formula for the k-th iterate of f

fk(x) = yk(x) = 2 cos arccos(x2) 2k

 .

(2)

Now it is easy to compute our limit

k→∞lim s

2 − fk(0) 2 − fk(1) = lim

k→∞

vu uu t

1 − cosπ/2

2k

 1 − cos

π/3 2k

 = 3 2.

 Remark: for x ∈ [−2, 2] the map f(x) has an inverse

f1(x) = 2 T2(x2) for x ∈ [0, 2]

where T2(x) = 2x2− 1 is the Tchebycheff polynomial of degree 2.

It is well known that

T2k(x) = T2k(x) and Tn(x) = cos(n arccos(x)).

Hence

fk(x) = 2 T2k(x2) = 2 T2k x 2

= 2 cos 2karccos x2

, and therefore we find again the formula

fk(x) = 2 cos arccos(x2) 2k

 .

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