Successione: $a_n=n^3(e^(1/(n^2-2n+3))-1)$.

Paolo902
Buonasera a tutti.

Rieccomi qui, nuovamente alle prese con un esercizio tratto dagli scritti di Analisi I dello scorso aa, dal mio ateneo.

Problema. Si consideri la successione di numeri reali $a_n$ così definita:
$a_n=n^3(e^(1/(n^2-2n+3))-1)$.

1. Si trovi $lim_(n to + oo) a_n$.
2. Si dica se la successione è limitata superiormente e/o inferiormente e si determinino il sup e l'inf specificando se sono max e/o min.

Risoluzione mia.
1. Per calcolare il limite procedo in questo modo: anzitutto, noto che per $n->+oo$ ho che $1/(n^2-2n+3)=1/n^2+o(1/n^2)$. Congetturo quindi che $e^(1/(n^2-2n+3)) sim e^(1/(n^2))$ in un intorno di $+oo$. Preciso che tale congettura è rischiosa, giacchè non sempre gli esponenziali mantengono le eguaglianze asintotiche; siccome un po' di pignoleria non fa mai male :-D verifico che effettivamente $e^(1/(n^2-2n+3)) sim e^(1/(n^2))$ passando dalla definizione.

Considero $lim_(n to + oo) e^(1/(n^2-2n+3))/e^(1/(n^2))$. Se mostro che detto limite viene $1$ sono a posto e posso applicare la stima asintotica. Ma si ha proprio
$lim_(n to + oo) e^(1/(n^2-2n+3))/e^(1/(n^2))=lim_(n to + oo) e^(1/(n^2-2n+3)-1/n^2)=lim_(n to + oo) e^((2n-3)/(n^2(n^2-2n+3)))=e^0=1$.

Perciò, posso riscrivere il $lim_(n to + oo) a_n$ come $lim_(n to + oo) (e^(1/(n^2))-1)/(1/n^3)$. Facendo un rapido cambio di variabile si porta il limite sotto questa veste:
$lim_(t to 0^+) (e^t-1)/t *1/sqrt t=+oo$, ricordando il limite notevole.
Dunque, rispondo al punto 1) dicendo che la successione diverge positivamente: $lim_(n to + oo) a_n=+oo$.

2. La successione è evidentemente illimitata superiormente (l'abbiamo appena mostrato): dunque, $"sup " a_n=+oo$.
E' invece limitata inferiormente: infatti, $forall n>=0$ si ha $n^3>=0$. E inoltre,
$e^(1/(n^2-2n+3))-1>=0 iff e^(1/(n^2-2n+3))>=e^0 iff 1/(n^2-2n+3)>=0$ che è vera $forall n in NN$.

In definitiva, i termini della successione sono tutti non negativi, cioè $0$ è un minorante degli $a_n$. Visto che $a_0$ è proprio $0$ concludo che $min a_n=0$.

Posso chiedervi gentilmente se avete correzioni o proposte in merito? Vi pare corretto ciò che ho fatto?
Confesso (sperando di non sembrare superbo) che mi pare un po' troppo semplice come esercizio: ben venga, per carità, ma non vorrei essermi perso qualche pezzo grosso per strada.

Che dite? Vi ringrazio per l'aiuto, come al solito.
:wink:

P.S. Lavorando su quest'esercizio, comunque, ho trovato una piccola generalizzazione di un fatto: mi confermate che $forall m>1, forall n>0$ vale $lim_(x to 0^+) x^m e^(1/(x)^(n))=+oo$?

Grazie.

Risposte
Steven11
Ciao!

Piuttosto che prendere la strada "rischiosa", anche se alla fine ne sei venuto fuori, io avrei immediatamente messo la quantità
[tex]$\frac{1}{n^2-2n+3}$[/tex] al posto di [tex]$e^{\frac{1}{n^2-2n+3}}-1$[/tex]
proprio perché come dici anche tu

[tex]$e^t-1\approx t$[/tex] se [tex]$t\to 0$[/tex] e sto prendendo [tex]$\frac{1}{n^2-2n+3}$[/tex] come mio [tex]$t$[/tex]

A quel punto una volta ottenuto

[tex]$\lim_{n\to +\infty} \frac{n^3}{n^2-2n+3}$[/tex] direi che c'è poco da dire :)

"Paolo90":

Lavorando su quest'esercizio, comunque, ho trovato una piccola generalizzazione di un fatto: mi confermate che $forall m>1, forall n>0$ vale $lim_(x to 0^+) x^m e^(1/(x)^(n))=+oo$?


Non vorrei perdermi qualcosa, ma perché escludi [tex]$m=1$[/tex]?

Notte :wink:

Paolo902
Ciao Steven,

anzitutto grazie mille per la risposta.

"Steven":
Ciao!

Piuttosto che prendere la strada "rischiosa", anche se alla fine ne sei venuto fuori, io avrei immediatamente messo la quantità
[tex]$\frac{1}{n^2-2n+3}$[/tex] al posto di [tex]$e^{\frac{1}{n^2-2n+3}}-1$[/tex]
proprio perché come dici anche tu

[tex]$e^t-1\approx t$[/tex] se [tex]$t\to 0$[/tex] e sto prendendo [tex]$\frac{1}{n^2-2n+3}$[/tex] come mio [tex]$t$[/tex]


Verissimo, non so perchè non mi è venuto in mente: era molto più breve e molto più elegante. Grazie.
Resta comunque il fatto che - secondo me :D - l'esercizio veniva molto più figo mettendoci un bel $n^2$ davanti (almeno la successione convergeva a $1$).

"Paolo90":

Lavorando su quest'esercizio, comunque, ho trovato una piccola generalizzazione di un fatto: mi confermate che $forall m>1, forall n>0$ vale $lim_(x to 0^+) x^m e^(1/(x)^(n))=+oo$?


Non vorrei perdermi qualcosa, ma perché escludi [tex]$m=1$[/tex]?


Carissimo, sono io che mi perdo qualcosa tranquillo :-D :-D . Ovviamente va bene pure $m=1$ ma penso anche $m=0$. In definitiva dovrebbe essere

$forall m>=0, forall n>0$ vale $lim_(x to 0^+) x^m e^(1/(x)^(n))=+oo$.

Che ne dici ora? Ti ringrazio molto per il tuo aiuto.

Ciao! :wink:

gugo82
E con gli [tex]$m<0$[/tex] che succede? :-D

Ad ogni modo, l'esercizio (a parte la strada rischiosa, che non avrei mai imboccato; preferisco i limiti notevoli quando non debbo necessariamente farne a meno) è svolto bene.

Per quanto riguarda la limitatezza dal basso, bastava osservare che [tex]$a_n\to +\infty$[/tex] (in quanto ogni successione positivamente divergente è necessariamente limitata inferiormente). Tuttavia sei riuscito a determinare un minorante, quindi va benissimo come hai svolto il secondo punto.

Giusto per curiosità, come avresti fatto a determinare un minorante se, all'uso degli Algebristi, avessi dovuto considerare [tex]$0\notin \mathbb{N}$[/tex]?

Paolo902
"Gugo82":
E con gli [tex]$m<0$[/tex] che succede? :-D


Grazie Gugo, hai ragione, la sostanza non cambia viene sempre $+oo$ direttamente (lo si trova subito perchè non è una forma indeterminata).

"Gugo82":

Ad ogni modo, l'esercizio (a parte la strada rischiosa, che non avrei mai imboccato; preferisco i limiti notevoli quando non debbo necessariamente farne a meno) è svolto bene.


Grazie. Evvai :-D . Comunque mi dispiace aver preso questa strada rischiosa, neanche a me piace molto, con i limiti notevoli viene subito. Si vede che sto studiando troppo Taylor :D

"Gugo82":

Per quanto riguarda la limitatezza dal basso, bastava osservare che [tex]$a_n\to +\infty$[/tex] (in quanto ogni successione positivamente divergente è necessariamente limitata inferiormente).


Caspita, è vero, ma non ci avevo mai fatto caso (perdonami :oops: ). Dimmi se sbaglio: dovrebbe essere una conseguenza immediata della definizione di limite.

Proprietà. : Sia $(a_n)$ una successione tale che $lim_(n to +oo) a_n=+oo$. Allora, $(a_n)$ è limitata inferiormente, cioè $exists k " tale che " k<=a_n " " forall n in NN$.

Proof. Per assurdo, sia $forall k$ $k>a_n$.
Dalla definizione di limite però si ha che $forall M>0 " " exists n_0 in NN " tale che " n>n_0 => a_n>M$.

Le due condizioni sono evidentemente incompatibili, perchè comunque io scelga $k$, per $n$ abbastanza grande, i termini della successione superano $k$. []

Probabilmente ho fatto un giro assurdo per una cosetta da nulla, però che ne dici? GRAZIE.

"Gugo82":

Giusto per curiosità, come avresti fatto a determinare un minorante se, all'uso degli Algebristi, avessi dovuto considerare [tex]$0\notin \mathbb{N}$[/tex]?


Ehm, bella domanda! Tu intendi: supponiamo che la successione parta da $n=1$: come fare a trovare un minorante?
Se devo dirla così di brutto tenterei queste due strade:

1. far vedere che la successione è monotona crescente (penso per induzione);
2. (più analitico) prendo la funzione $f:[1,+oo)->RR$ dove $f(x)=x^3(e^(1/(x^2-2x+3))-1)$; ne trovo la derivata prima e osservo che è sempre positiva: quindi $f$ cresce sempre: stessa solfa di prima.

In poche parole troverei che il minimo della successione $a_n$ (con $n in NN-{0}$) è $a_1$.
Corretto?

Ti ringrazio molto per il tuo aiuto.
GRAZIE di tutto.

:wink:

Steven11
"Paolo90":
Ehm, bella domanda! Tu intendi: supponiamo che la successione parta da n=1: come fare a trovare un minorante?
Se devo dirla così di brutto tenterei queste due strade:

No, forse stai confondendo minorante con minimo.
Se anche decidi di partire da [tex]$n=1$[/tex], lo [tex]$0$[/tex] resta comunque un minorante della successione.
Infatti proprio tu prima hai verificato che la successione è a termini non negativi. Togliendo un termine della successione non fai nulla.

Non so ora se Gugo82 voleva dire "minimo" invece di minorante, o lo ha detto per sgambettarti.
Attendiamo che ci illumini. :D

Paolo902
Ah, sì, giusto.

Chissà perchè, ma pur leggendo minorante sono andato a cercarmi il massimo dei minoranti... Sì, ovviamente hai ragione: certo, lo $0$ come pure qualsiasi altro numero negativo sono minoranti per $(a_n)$: infatti, se parto da $n=1$, la successione è a termini strettamente positivi.

Una curiosità: nel caso in cui Gugo intendesse minimo ho ragionato bene?

GRAZIE :wink:

Steven11
"Paolo90":

Una curiosità: nel caso in cui Gugo intendesse minimo ho ragionato bene?

Sì, la successione risulta effettivamente crescente.
Quei due modi vanno più che bene, altri più elementari e con meno conti non ne vedo, almeno adesso. :wink:

gugo82
@ Steven e Paolo90: Effettivamente con "un minorante" intendevo "un minorante migliore (ossia meno banale) di [tex]$0$[/tex]".
Mea culpa, dovevo spiegarmi meglio.
Poi, trovare il minimo è un po' troppo calcoloso (per i miei gusti), quindi non sarei mai stato così cattivo! :-D

@ Paolo90: Io l'avevo pensata più nelle tue corde, ossia usando Taylor per semplificare. :-D

Infatti per [tex]$x\geq 0$[/tex] puoi scrivere [tex]$e^x-1=\sum_{k=1}^{+\infty} \frac{x^k}{k!} \geq x$[/tex] sicché, visto che [tex]$\frac{1}{n^2-2n+3}=\frac{1}{(n-1)^2+2}\geq 0$[/tex], trovi:

[tex]$n^3 \left(e^{\frac{1}{n^2-2n+3}}-1\right) \geq \frac{n^3}{n^2-2n+3}$[/tex]

e la funzione a secondo membro è str. crescente (si può vedere pensandola come funzione di [tex]$x\geq 1$[/tex] e derivando); quindi un minorante è sicuramente:

[tex]$\frac{n^3}{n^2-2n+3}\Big|_{n=1}=\frac{1}{2}$[/tex].

Inoltre:
"Paolo90":
[quote="Gugo82"]
Per quanto riguarda la limitatezza dal basso, bastava osservare che [tex]$a_n\to +\infty$[/tex] (in quanto ogni successione positivamente divergente è necessariamente limitata inferiormente).


Caspita, è vero, ma non ci avevo mai fatto caso (perdonami :oops: ). Dimmi se sbaglio: dovrebbe essere una conseguenza immediata della definizione di limite.

Proprietà. : Sia $(a_n)$ una successione tale che $lim_(n to +oo) a_n=+oo$. Allora, $(a_n)$ è limitata inferiormente, cioè $exists k " tale che " k<=a_n " " forall n in NN$.

Proof. Per assurdo, sia $forall k$ $k>a_n$.
Dalla definizione di limite però si ha che $forall M>0 " " exists n_0 in NN " tale che " n>n_0 => a_n>M$.

Le due condizioni sono evidentemente incompatibili, perchè comunque io scelga $k$, per $n$ abbastanza grande, i termini della successione superano $k$. []

Probabilmente ho fatto un giro assurdo per una cosetta da nulla, però che ne dici? GRAZIE. [/quote]
Effettivamente la prendi troppo alla larga. :-D

Se [tex]$a_n\to +\infty$[/tex] allora (definizione di limite) in corrispondenza di [tex]$\varepsilon =1$[/tex] esiste un [tex]$\nu \in \mathbb{N}$[/tex] tale che per ogni [tex]$n\geq \nu$[/tex] si ha [tex]$a_n>1$[/tex]; puoi allora porre

[tex]$L:=\begin{cases} 1 & \text{, se $\nu=0$}\\ \min \{ a_0,\ldots , a_{\nu -1}\} & \text{, se $\nu \geq 1$}\end{cases}$[/tex]

ed avere il tuo bel minorante. [tex]$\square$[/tex]


P.S.: [] VS [tex]$\square$[/tex]: vinco io. :lol:

Paolo902
"Gugo82":
@ Steven e Paolo90: Effettivamente con "un minorante" intendevo "un minorante migliore (ossia meno banale) di [tex]$0$[/tex]".
Mea culpa, dovevo spiegarmi meglio.
Poi, trovare il minimo è un po' troppo calcoloso (per i miei gusti), quindi non sarei mai stato così cattivo! :-D

@ Paolo90: Io l'avevo pensata più nelle tue corde, ossia usando Taylor per semplificare. :-D

Infatti per [tex]$x\geq 0$[/tex] puoi scrivere [tex]$e^x-1=\sum_{k=1}^{+\infty} \frac{x^k}{k!} \geq x$[/tex] sicché, visto che [tex]$\frac{1}{n^2-2n+3}=\frac{1}{(n-1)^2+2}\geq 0$[/tex], trovi:

[tex]$n^3 \left(e^{\frac{1}{n^2-2n+3}}-1\right) \geq \frac{n^3}{n^2-2n+3}$[/tex]

e la funzione a secondo membro è str. crescente (si può vedere pensandola come funzione di [tex]$x\geq 1$[/tex] e derivando); quindi un minorante è sicuramente:

[tex]$\frac{n^3}{n^2-2n+3}\Big|_{n=1}=\frac{1}{2}$[/tex].


Ah, sì, ho capito. Taylor ha abbastanza il dono dell'ubiquità a quanto pare :-D :-D .

In pratica hai usato la disuguaglianza (che si può dimostrare facilmente comunque con Taylor, sempre lui)
$e^x>=1+x$ valida $forall x in RR$ (basta guardare i grafici per convincersene: comunque se applichi Taylor-Lagrange è un attimo dimostrarlo).

Bene, grazie allora, mi avete insegnato un'altra bella cosa. Vi ringrazio.

"Gugo82":

[quote="Paolo90"][quote="Gugo82"]
Per quanto riguarda la limitatezza dal basso, bastava osservare che [tex]$a_n\to +\infty$[/tex] (in quanto ogni successione positivamente divergente è necessariamente limitata inferiormente).


Caspita, è vero, ma non ci avevo mai fatto caso (perdonami :oops: ). Dimmi se sbaglio: dovrebbe essere una conseguenza immediata della definizione di limite.

Proprietà. : Sia $(a_n)$ una successione tale che $lim_(n to +oo) a_n=+oo$. Allora, $(a_n)$ è limitata inferiormente, cioè $exists k " tale che " k<=a_n " " forall n in NN$.

Proof. Per assurdo, sia $forall k$ $k>a_n$.
Dalla definizione di limite però si ha che $forall M>0 " " exists n_0 in NN " tale che " n>n_0 => a_n>M$.

Le due condizioni sono evidentemente incompatibili, perchè comunque io scelga $k$, per $n$ abbastanza grande, i termini della successione superano $k$. []

Probabilmente ho fatto un giro assurdo per una cosetta da nulla, però che ne dici? GRAZIE. [/quote]
Effettivamente la prendi troppo alla larga. :-D

Se [tex]$a_n\to +\infty$[/tex] allora (definizione di limite) in corrispondenza di [tex]$\varepsilon =1$[/tex] esiste un [tex]$\nu \in \mathbb{N}$[/tex] tale che per ogni [tex]$n\geq \nu$[/tex] si ha [tex]$a_n>1$[/tex]; puoi allora porre

[tex]$L:=\begin{cases} 1 & \text{, se $\nu=0$}\\ \min \{ a_0,\ldots , a_{\nu -1}\} & \text{, se $\nu \geq 1$}\end{cases}$[/tex]

ed avere il tuo bel minorante. [tex]$\square$[/tex]
[/quote]

Sì, ho capito anche qui che cosa intendi. In pratica, tu dici: "prima o poi" gli $a_n$ diventano più grandi di $1$, visto che la successione diverge; se sono tutti maggiori di $1$ (da $0$ in poi) allora evidentemente $1$ è un minorante; se invece gli $a_n$ superano $1$ dopo un certo $nu$, allora basta che prendo come minorante il minimo degli $a_n$ (con $n$ che varia da $0$ e $nu$).

In ogni caso, ho trovato un minorante per cui la successione è effettivamente limitata inferiormente.
Ho capito (almeno mi pare) ma ti confesso che non mi sarebbe mai venuto in mente... e dire che comunque l'idea non è così difficile...

Ti ringrazio molto, come al solito, davvero.

"Gugo82":

P.S.: [] VS [tex]$\square$[/tex]: vinco io. :lol:


Uffiiiiiiii. Nonègiusto. Sigh sigh... :cry: :cry:

:D
Grazie ancora di tutto. :wink:

gugo82
"Paolo90":
Ah, sì, ho capito. Taylor ha abbastanza il dono dell'ubiquità a quanto pare :-D :-D .

In pratica hai usato la disuguaglianza (che si può dimostrare facilmente comunque con Taylor, sempre lui)
$e^x>=1+x$ valida $forall x in RR$ (basta guardare i grafici per convincersene: comunque se applichi Taylor-Lagrange è un attimo dimostrarlo).

In realtà quella disuguaglianza si può dimostrare in 18057 modi diversi... :-D

Ad esempio, un esercizio carino potrebbe essere "dimostrare [tex]$e^x\geq 1+x$[/tex] sfruttando un po' di risultati di Calcolo Integrale".

"Paolo90":
[quote="Gugo82"]Effettivamente la prendi troppo alla larga. :-D

Se [tex]$a_n\to +\infty$[/tex] allora (definizione di limite) in corrispondenza di [tex]$\varepsilon =1$[/tex] esiste un [tex]$\nu \in \mathbb{N}$[/tex] tale che per ogni [tex]$n\geq \nu$[/tex] si ha [tex]$a_n>1$[/tex]; puoi allora porre

[tex]$L:=\begin{cases} 1 & \text{, se $\nu=0$}\\ \min \{ a_0,\ldots , a_{\nu -1}\} & \text{, se $\nu \geq 1$}\end{cases}$[/tex]

ed avere il tuo bel minorante. [tex]$\square$[/tex]


Sì, ho capito anche qui che cosa intendi. In pratica, tu dici: "prima o poi" gli $a_n$ diventano più grandi di $1$, visto che la successione diverge; se sono tutti maggiori di $1$ (da $0$ in poi) allora evidentemente $1$ è un minorante; se invece gli $a_n$ superano $1$ dopo un certo $nu$, allora basta che prendo come minorante il minimo degli $a_n$ (con $n$ che varia da $0$ e $nu$).

In ogni caso, ho trovato un minorante per cui la successione è effettivamente limitata inferiormente.
Ho capito (almeno mi pare) ma ti confesso che non mi sarebbe mai venuto in mente... e dire che comunque l'idea non è così difficile...[/quote]
Esatto; e per far funzionare tutto è fondamentale la finitezza dell'insieme [tex]$\{ a_0,\ldots ,a_\nu\}$[/tex].

"Paolo90":
Ti ringrazio molto, come al solito, davvero.

[quote="Gugo82"]
P.S.: [] VS [tex]$\square$[/tex]: vinco io. :lol:


Uffiiiiiiii. Nonègiusto. Sigh sigh... :cry: :cry: [/quote]
:lol:

Prego.

Paolo902
Perfetto, grazie ancora.

Proverò a dimostrare la celeberrima disuguaglianza passando anche attraverso il calcolo integrale. Magari aprirò un altro post per confrontarmi con gli altri. Ti ringrazio molto per l'aiuto.

:wink:

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