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Aufgabe:

Es sei \(a_n\) definiert durch \(a_{1} = 1, \space a_{n+1} = \sqrt{2+a_n} \quad n\in\mathbb N\)

Zeigen Sie, dass \(a_{n}\) konvergiert und bestimmen Sie den Grenzwert von \(a_{n}\)


Problem/Ansatz:

Ich bin relativ schnell auf den Grenzwert 2 gekommen (erst durch ausprobieren dann durch rechnen) da ich noch relativ frisch im Mathestudium bin fehlt mir noch etwas die "Kreativität" etwas zu beweisen. Ich habe mir überlegt, wenn ich auf den Grenzwert verweise wäre das ja quasi ein Beweis der Konvergenz (Divergent kann es ja mit Grenzwert nicht sein) also meine Frage nochmal kurz zusammengefasst : Wie Beweise ich das? und Kann man mit einem/keinem Grenzwert Konvergenz/Divergenz beweisen?

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Aloha :)

Wir betrachten die Folge:$$a_{n+1}=\sqrt{2+a_n}\quad;\quad a_1=1$$

1) Beschränktheit:

Da Wurzeln nie negativ werden können, sind alle \(a_n\ge0\). Nach oben ist die Folge durch \(a_n\le2\) beschränkt. Das zeigen wir durch vollständige Induktion. Wegen \(a_1=1\le2\) ist die Verankerung bei \(n=1\) klar. Der Induktionsschrit sieht so aus:$$a_{n+1}=\sqrt{2+a_n}\stackrel{\text{(Ind.Beh.)}}{\le}\sqrt{2+2}=\sqrt4=2\quad\checkmark$$Damit sind alle Folgendglieder beschränkt: \(\quad0\le a_n\le2\).

2) Monotonie:

Wir betrachten die Differenz zweier aufeinander folgender Folgenglieder:$$a_{n+1}-a_n=\sqrt{2+a_n}-a_n=\frac{(\overbrace{\sqrt{2+a_n}}^{=x}-\overbrace{a_n}^{=y})\cdot(\overbrace{\sqrt{2+a_n}}^{=x}+\overbrace{a_n}^{=y})}{(\sqrt{2+a_n}+a_n)}$$$$\phantom{a_{n+1}-a_n}=\frac{\overbrace{(2+a_n)}^{=x^2}-\overbrace{a_n^2}^{=y^2}}{\sqrt{2+a_n}+a_n}=\frac{\frac94-\frac14+a_n-a_n^2}{\sqrt{2+a_n}+a_n}=\frac{\frac94-\left(\frac14-a_n+a_n^2\right)}{\sqrt{2+a_n}+a_n}$$$$\phantom{a_{n+1}-a_n}=\frac{\frac94-\left(a_n-\frac12\right)^2}{\sqrt{2+a_n}+a_n}\ge\frac{\frac94-\left(2-\frac12\right)^2}{\sqrt{2+a_n}+a_n}=0\quad\implies\quad a_{n+1}\ge a_n$$

Die Folge ist also monoton wachsend.

3) Grenzwert:

Jede beschränkte monotone Folge konvergiert, daher konvergiert unser \((a_n)\). Den Grenzwert \(a\) bestimmen wir wie folgt:$$\left.a_{n+1}=\sqrt{2+a_n}\quad\right|\lim\limits_{n\to\infty}(\cdots)$$$$\left.\lim\limits_{n\to\infty} a_{n+1}=\lim\limits_{n\to\infty}\sqrt{2+a_n}=\sqrt{2+\lim\limits_{n\to\infty} a_n}\quad\right|a\coloneqq\lim\limits_{n\to\infty}a_n=\lim\limits_{n\to\infty}a_{n+1}$$$$\left.a=\sqrt{2+a}\quad\right|\text{quadrieren}$$$$\left.a^2=2+a\quad\right|-a-2$$$$\left.a^2-a-2=0\quad\right|\text{faktorisieren}$$$$(a-2)(a+1)=0$$Die Lösung \(a=-1\) fällt weg, da \(0\le a_n\le2\), bleibt als Grenzwert:\(\quad a=2\)

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Hallo

bei rekursiven Folgen geht man i.A, so vor, a) sie sind nach oben beschränkt und monoton steigend oder nach unten beschränkt und monoton fallen, dann gilt an und an+1 konvergieren fegen den GW un man kann ihn deshalb bestimmen,

Nur einen  möglichen GW bestimmen ist leider kein Beweis

Gruß lul

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Vielen Dank :)

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