Bài toán 11.[Crux 2018] Tìm giới hạn P=\lim\limits_{n \to +\infty}\left\{\left(6+\sqrt{35} \right)^n\right\},
trong đó, \{x\}=x-[x], với [x] là số nguyên lớn nhất không vượt quá x.
|
Lời giải
Ta sẽ chứng minh \left(6+\sqrt{35} \right)^n + \left(6-\sqrt{35} \right)^n \in \mathbb{N}, \forall n \in \mathbb{N}. \tag{*}
Thật vậy, dễ thấy n=0, ta có (*) đúng. Với n=1, ta có
\left(6+\sqrt{35} \right)^n + \left(6-\sqrt{35} \right)^n=\left(6+\sqrt{35} \right) + \left(6-\sqrt{35} \right)=12 \in \mathbb{N}.
Giả sử (*) đúng đến n=k, (với k \in \mathbb{N}^*), và dĩ nhiên (*) cũng đúng khi n=k-1. Tức là
\left(6+\sqrt{35} \right)^k + \left(6-\sqrt{35} \right)^k \in \mathbb{N} \text{ và } \left(6+\sqrt{35} \right)^{k-1} + \left(6-\sqrt{35} \right)^{k-1} \in \mathbb{N}.
Ta sẽ chứng minh (*) đúng đến n=k+1. Thật vậy, ta có
\begin{align*}
\left(6+\sqrt{35} \right)^{k+1} + \left(6-\sqrt{35} \right)^{k+1}=&\left( \left(6+\sqrt{35} \right) + \left(6-\sqrt{35} \right) \right)\left(\left(6+\sqrt{35} \right)^k + \left(6-\sqrt{35} \right)^k \right)\\
&- \left(6+\sqrt{35} \right)\left(6-\sqrt{35} \right)\left( \left(6+\sqrt{35} \right)^{k-1} + \left(6-\sqrt{35} \right)^{k-1}\right)\\
=&12\left(\left(6+\sqrt{35} \right)^k + \left(6-\sqrt{35} \right)^k \right)\\
&-\left( \left(6+\sqrt{35} \right)^{k-1} + \left(6-\sqrt{35} \right)^{k-1}\right) \in \mathbb{N}.
\end{align*}
Do đó, ta có \left(6+\sqrt{35} \right)^n + \left(6-\sqrt{35} \right)^n \in \mathbb{N}, \forall n \in \mathbb{N}.
Mặt khác, với mọi n\in \mathbb{N}^*, do 0 < 6-\sqrt{35} < 1 nên 0 < \left(6-\sqrt{35} \right)^n < 1 \text{ hay } 0 < 1-\left(6-\sqrt{35} \right)^n < 1.
Dễ thấy rằng nếu x \in \mathbb{N} và 0 < y < 1 thì [x+y]=x.
Áp dụng với x= \left(6+\sqrt{35} \right)^n + \left(6-\sqrt{35} \right)^n và y=1-\left(6-\sqrt{35} \right)^n, ta có { \begin{align*} \left[\left(6+\sqrt{35} \right)^n\right]&=\left[\left(\left(6+\sqrt{35} \right)^n+\left(6-\sqrt{35} \right)^n-1 \right)+\left(1-\left(6-\sqrt{35} \right)^n \right)\right]\\ &=\left(6+\sqrt{35} \right)^n+\left(6-\sqrt{35} \right)^n-1. \end{align*}
}
Do đó, ta có
\begin{align*}
\left\{\left(6+\sqrt{35} \right)^n\right\}&=\left(6+\sqrt{35} \right)^n-\left[\left(6+\sqrt{35} \right)^n\right]\\
&=\left(6+\sqrt{35} \right)^n-\left( \left(6+\sqrt{35} \right)^n+\left(6-\sqrt{35} \right)^n-1 \right)\\
&=1-\left(6-\sqrt{35} \right)^n.
\end{align*}
Suy ra
P=\lim\limits_{n \to +\infty}\left\{\left(6+\sqrt{35} \right)^n\right\}= \lim\limits_{n \to +\infty}\left( 1-\left(6-\sqrt{35} \right)^n \right)=1-\lim\limits_{n \to +\infty}\left(6-\sqrt{35} \right)^n.
Do 0 < 6-\sqrt{35} < 1 nên \lim\limits_{n \to +\infty}\left(6-\sqrt{35} \right)^n=0.
Vậy, ta có P=1-\lim\limits_{n \to +\infty}\left(6-\sqrt{35} \right)^n=1-0=1. Ta có thể chứng minh (*) bằng cách đặt S_n=\left(6+\sqrt{35} \right)^n + \left(6-\sqrt{35} \right)^n, \forall n \in \mathbb{N}.
Dễ thấy rằng S_0=2, S_1=12 và ta có hệ thức truy hồi
S_n=12S_{n-1}-S_{n-2}, \forall n \in \mathbb{N}, n\ge 2.
Từ đó, ta suy ra S_n \in \mathbb{N}, \forall n\in \mathbb{N}.
0 nhận xét:
Đăng nhận xét