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(b) Calculate limn→∞un when s = C

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Academic year: 2021

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Problem 11976

(American Mathematical Monthly, Vol.124, April 2017) Proposed by R. Bosch (USA).

Given a positive real number s, consider the sequence {un}n≥1 defined by u1 = 1, u2 = s, and un+2= unun+1/n for n ≥ 1.

(a) Show that there is a constant C such that limn→∞un = ∞ when s > C and limn→∞un = 0 when s < C.

(b) Calculate limn→∞un when s = C.

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

Solution. Let Fn= (αn−βn)/√

5 be the nth-Fibonacci number where α = (1+√

5)/2 and β = −1/α.

Then, by using the relation Fn+2= Fn+ Fn+1, it is to verify by induction that

un+1= sFn Qn

k=1kFnk. Hence

√5 ln(un+1) =√

5 Fnln(s) −

n

X

k=1

Fn−kln(k)

!

= (αn− βn) ln(s) +

n

X

k=1

αn−kln(k) −

n

X

k=1

βn−kln(k)

= αn(ln(s) − L) + γn− βnln(s) where

L :=

X

k=1

α−kln(k) ≈ 1.163451 and γn:=

X

k=n+1

αn−kln(k) +

n

X

k=1

βn−kln(k)

(the series is convergent because the radius of convergence at 0 of the power seriesP

k=1xkln(k) is 1 and α−1∈ (0, 1)).

(a) As n goes to infinity, we have that βnln(s) → 0, and

0 ≤ |γn| αn

X

k=n+1

α−kln(k) + n ln(n) αn → 0.

Hence, by letting C = eL≈ 3.20096065, we have

√5 ln(un+1) = αn(ln(s/C) + o(1)) + o(1).

Therefore if s > C then ln(s/C) > 0 and limn→∞un = ∞. On the other hand, limn→∞un = 0 when s < C.

(b) If s = C then√

5 ln(un+1) = γn+ o(1) which implies that limn→∞un= ∞ because

γn

2n−1

X

k=n+1

αn−kln(k) +

n

X

k=1

βn−kln(k) =

n−1

X

k=1

α−kln(n + k) +

n−1

X

k=0

(−α)−kln(n − k)

= ln(n) +

n−1

X

k=1

α−k ln(n + k) + (−1)kln(n − k) ≥ ln(n).



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