Question Number 218208 by Marzuk last updated on 01/Apr/25 | ||
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$${This}\:{question}\:{is}\:{really}\:{important} \\ $$$${Prove}\:{or}\:{disprove}\:{that} \\ $$$$\underset{{n}\rightarrow\infty} {\mathrm{lim}}\:\frac{\mathrm{3}^{{n}} {m}+\mathrm{3}^{{n}−\mathrm{1}} }{\mathrm{2}^{\lceil\frac{{n}}{\mathrm{2}}\rceil} }\:+\:\frac{\mathrm{3}^{{n}−\mathrm{1}} }{\mathrm{2}^{{n}} }\: \\ $$$$\:{the}\:{limit}\:{exists}\:{for}\:{m}\:\in\:{N}\:\backslash{B} \\ $$$${where}\:{B}\:=\:\left\{{n}\:\mid\:{log}_{\mathrm{2}} \left({n}\right)\:\in\:{N}\:\right\} \\ $$ | ||
Commented by Marzuk last updated on 01/Apr/25 | ||
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$${This}\:{question}\:{is}\:{highly}\:{related}\:{with} \\ $$$${Collatz}\:\:{Conjecture} \\ $$ | ||
Answered by MrGaster last updated on 05/Apr/25 | ||
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$$=\underset{{n}\rightarrow\infty} {\mathrm{lim}}\frac{\mathrm{3}^{{n}−\mathrm{1}} \left(\mathrm{3}{m}+\mathrm{1}\right)}{\mathrm{2}^{\left[{n}/\mathrm{2}\right]} }+\frac{\mathrm{3}^{{n}−\mathrm{1}} }{\mathrm{2}^{{n}} } \\ $$$$=\underset{{n}\rightarrow\infty} {\mathrm{lim}3}^{{n}−\mathrm{1}} \left(\frac{\mathrm{3}{m}+\mathrm{1}}{\mathrm{2}^{\left[{n}/\mathrm{2}\right]} }+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}^{{n}} }\right)\:\forall{n}\in\mathbb{N},\left[\frac{{n}}{\mathrm{2}}\right]\mathrm{is}\:\mathrm{defined}\:\mathrm{as} \\ $$$$\lceil\frac{{n}}{\mathrm{2}}\rceil=\begin{cases}{\frac{{n}}{\mathrm{2}}\:\mathrm{if}\:{n}\in\mathrm{even}}\\{\frac{{n}+\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\:\mathrm{if}\:{n}\:\mathrm{is}\:\mathrm{odd}}\end{cases} \\ $$$$\mathrm{Case}\:\mathrm{when}\:{n}\:\mathrm{is}\:\mathrm{even}: \\ $$$$\mathrm{2}^{\lceil\frac{{n}}{\mathrm{2}}\rceil} =\mathrm{2}^{{n}/\mathrm{2}} \\ $$$$\Rightarrow\frac{\mathrm{3}^{{n}−\mathrm{1}} \left(\mathrm{3}{m}+\mathrm{1}\right)}{\mathrm{2}^{{n}/\mathrm{2}} }=\frac{\mathrm{3}^{{n}} \left(\mathrm{3}{m}+\mathrm{1}\right)}{\mathrm{3}\centerdot\mathrm{2}^{{n}/\mathrm{2}} }=\frac{\left(\mathrm{3}{m}+\mathrm{1}\right)}{\mathrm{3}}\centerdot\left(\frac{\mathrm{9}}{\mathrm{2}}\right)^{{n}/\mathrm{2}} \\ $$$${n}\in\mathrm{odd}: \\ $$$$\mathrm{2}^{\lceil\frac{{n}}{\mathrm{2}}\rceil} =\mathrm{2}^{\left({n}+\mathrm{1}\right)/\mathrm{2}} \\ $$$$\Rightarrow\frac{\mathrm{3}^{{n}−\mathrm{1}} \left(\mathrm{3}{m}+\mathrm{1}\right)}{\mathrm{2}^{\left({n}+\mathrm{1}\right)/\mathrm{2}} }=\frac{\mathrm{3}^{{n}} \left(\mathrm{3}{m}+\mathrm{1}\right)}{\mathrm{3}\centerdot\mathrm{2}^{\left({n}+\mathrm{1}\right)/\mathrm{3}} }=\frac{\left(\mathrm{3}{m}+\mathrm{1}\right)}{\mathrm{3}\sqrt{\mathrm{2}}}\centerdot\left(\frac{\mathrm{9}}{\mathrm{2}}\right)^{{n}/\mathrm{2}} \\ $$$$\mathrm{Second}\:\mathrm{term}: \\ $$$$\frac{\mathrm{3}^{{n}−\mathrm{1}} }{\mathrm{2}^{{n}} }=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{3}}\centerdot\left(\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{4}}\right)^{{n}} \\ $$$$\mathrm{Main}\:\mathrm{term}\:\mathrm{analysis}\:\left(\mathrm{order}\:\mathrm{comparison}\right): \\ $$$$\left(\frac{\mathrm{9}}{\mathrm{2}}\right)^{{n}/\mathrm{2}} \gg\left(\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{4}}\right)^{{n}} \because\left(\frac{\mathrm{9}}{\mathrm{2}}\right)^{\mathrm{1}/\mathrm{2}} =\frac{\mathrm{3}}{\:\sqrt{\mathrm{2}}}>\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{4}} \\ $$$$\Rightarrow\underset{{n}\rightarrow\infty} {\mathrm{lim}}\left(\frac{\mathrm{3}{m}+\mathrm{1}}{\mathrm{3}}\centerdot\left(\frac{\mathrm{9}}{\mathrm{2}}\right)^{{n}/\mathrm{2}} +\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{3}}\centerdot\left(\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{4}}\right)^{{n}} \right)=+\infty \\ $$$$\Rightarrow\nexists\underline{\mathrm{lim}} \\ $$ | ||