home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ NetNews Usenet Archive 1992 #31 / NN_1992_31.iso / spool / sci / math / 17479 < prev    next >
Encoding:
Text File  |  1992-12-29  |  5.5 KB  |  122 lines

  1. Newsgroups: sci.math
  2. Path: sparky!uunet!stanford.edu!CSD-NewsHost.Stanford.EDU!Sunburn.Stanford.EDU!pratt
  3. From: pratt@Sunburn.Stanford.EDU (Vaughan R. Pratt)
  4. Subject: Re: need proof:  (1 + 1/n)^n ==> e
  5. Message-ID: <1992Dec29.094842.3685@CSD-NewsHost.Stanford.EDU>
  6. Sender: news@CSD-NewsHost.Stanford.EDU
  7. Organization: Computer Science Department,  Stanford University.
  8. References: <1glr2qINN2vg@usenet.INS.CWRU.Edu> <1hfv4sINNdlk@usenet.INS.CWRU.Edu>
  9. Date: Tue, 29 Dec 1992 09:48:42 GMT
  10. Lines: 110
  11.  
  12. In article <1hfv4sINNdlk@usenet.INS.CWRU.Edu> somos@ces.cwru.edu (Michael Somos) writes:
  13. >The tone of the question suggests that a very elementary proof of
  14. >the limit (1+1/n)^n is requested.  It is no trick to come up with
  15. >fancy proofs that obscure rather than clarify.  An elementary proof
  16. >may use a few more steps than a slick fancy proof but lead to more
  17. >insight into the problem.  While the previously posted proofs all
  18. >have some merit, so far no one has mentioned the following approach.
  19. >
  20. >[Very interesting method here]
  21. >
  22. >Note that this approach also defines the exponential function at the
  23. >same time.  It uses nothing beyond the concept of limits and simple
  24. >algebra.  It is truly elementary although it uses more steps.  
  25.  
  26. One may show convergence of (1+1/n)^n by the following more mundane
  27. means.  Let us denote by N those n that are powers of 2.
  28.  
  29. Proposition.  If 1 < M < N are powers of 2 then
  30.  
  31.     (1+1/M)^M < (1+1/N)^N < e < (1+1/N+1/N^2)^N < (1+1/M+1/M^2)^M
  32.  
  33. Proof.  1 + 1/M  <  1 + 2/(2M) + 1/(2M)^2  =  (1+1/(2M))^2.
  34. Hence  (1 + 1/M)^M  <  ((1+1/(2M))^2)^M = (1+1/(2M))^(2M),
  35. whence the first inequality follows by induction on powers of 2.
  36.  
  37. Also  1 + 1/M + 1/M^2  >  1 + 2/(2M) + 3/(2M)^2 + 2/(2M)^3 + 1/(2M)^4 for M>1
  38.                =  (1 + 1/(2M) + 1/(2M)^2)^2.
  39. Hence (1 + 1/M + 1/M^2)^M  >  (1 + 1/(2M) + 1/(2M)^2)^(2M), similarly
  40. establishing the last inequality by induction on powers of 2.
  41.  
  42. Now the inequality (1+1/N)^N < (1+1/N+1/N^2)^N is immediate for all
  43. N>0.  Thus the sequence (1+1/N)^N converges to some limit A from below,
  44. while the sequence (1+1/N+1/N^2)^N converges to some limit B >= A from
  45. above.  The pointwise ratio of these two sequences is
  46. ((1+1/N+1/N^2)/(1+1/N))^N = (1+1/(N(N+1))^N < (1+1/N^2)^N, whose N-th
  47. power we have just shown to be bounded above by A (note that N^2 is a
  48. power of 2 as required).  Hence the ratio is bounded above by A^{1/N}
  49. and so tends to 1, whence A=B.  We may then define e to be that common
  50. limit.  QED
  51.  
  52. (Although we have only shown convergence of that subsequence of
  53. (1+1/n)^n for which n=N a power of 2, the convergence of the whole
  54. sequence can be shown by extending the ratio argument to all n>0.)
  55.  
  56. -------------------------------
  57.  
  58. To atone for the mundaneness of this purely algebraic proof let me
  59. describe how I obtained it.  I first proved the lower bound
  60. geometrically, then stripped out the geometry, then obtained the upper
  61. bound by analogy.  But first this.
  62.  
  63.            n
  64. Define e  = (1+1/n) .   (So e  =  lim  e  ).
  65.     n                        n->oo  n
  66.  
  67. Define D  as the difference operator
  68.         n
  69.                f(x + h) - f(x)
  70.     (D f)(x)  =    -----------------    where h = 1/n.    (1)
  71.       n               h
  72.  
  73.                           x      x
  74. The neat thing is that D e   =  e  .             (2)
  75.             n n      n
  76.  
  77. That is, (e_n)^x is a fixpoint of D_n.  This can be verified by
  78. elementary algebra and without taking limits.  This is a little corner
  79. of the beautiful calculus of finite differences, Boole's discrete
  80. version of the infinitesimal calculus.
  81.                    x
  82. Now define the function Exp (x) = e  for x = 0, 1/n, 2/n, ..., 1, and
  83.                n       n
  84. extend it to the rest of the real interval [0,1] by linear
  85. interpolation (connect the n+1 points with n line segments).  The
  86. meaning of (2) with respect to this piecewise-linear curve is that the
  87. slope of the line segment from Exp_n(m/n) to Exp_n((m+1)/n) is
  88. Exp_n(m/n), for integer m in [0,n].
  89.  
  90. It can be shown with some effort that Exp_{n-1}(x) <= Exp_n(x) for all x in
  91. [0,1].  (Outline: it suffices to show it for the vertices x = m/n of
  92. Exp_n.  Letting p = n^2, Exp_{n-1}(m/n)/Exp_n(m/n) can be shown to be
  93. (p^m - m p^{m-1})/(p-1)^m, equal to 1 for m=1 and less than 1 for m>1.)
  94.  
  95. What makes this argument a bit messy is that the vertices of Exp_n
  96. don't line up neatly with those of Exp_{n-1}.  This can be fixed by
  97. passing straight from Exp_n to Exp_2n, where Exp_n(m/n) <= Exp_2n(m/n)
  98. can now be shown by the following simple geometric argument.  For each
  99. segment of Exp_n there are two segments of Exp_2n.  Initially both f's
  100. start at x=0 with f(x) = f'(x) = 1.  At x=1/2n, where f(x) = 1+1/2n for
  101. both f's, the slope of Exp_2n increases to 1+1/2n causing it to rise
  102. above Exp_n.  At x=1/n, Exp_n increases its slope to 1+1/n, but here
  103. Exp_2n has reached (and therefore increases its slope to) (1+1/(2n))^2
  104. = 1+1/n+1/(2n)^2 > 1+1/n.  Hence the slope of Exp_2n is at least that
  105. of Exp_n everywhere (in contrast to the messy situation we encountered
  106. with Exp_n vs. Exp_{n-1}), and strictly greater beyond x=1/2n.  In this
  107. way Exp_2n makes a clean getaway from Exp_n, telling us that we can
  108. expect a simpler argument if we focus on the subsequence of (1+1/n)^n
  109. for which n is a power of 2.
  110.  
  111. This nice pictorial argument can now be boiled down to the purely
  112. algebraic argument I gave at the beginning, at least for the part
  113. showing that (1 + 1/M)^M  < (1+1/(2M))^(2M),
  114.  
  115. This doesn't explain where the upper bound of (1+1/N+1/N^2)^N comes
  116. from.  That was just a lucky guess.
  117.  
  118. I'd be interested to know where these arguments can be found in the
  119. literature.
  120. -- 
  121. Vaughan Pratt                There's safety in certain numbers.
  122.