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/ NetNews Usenet Archive 1992 #26 / NN_1992_26.iso / spool / sci / math / 14586 < prev    next >
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Text File  |  1992-11-08  |  7.2 KB  |  212 lines

  1. Newsgroups: sci.math
  2. Path: sparky!uunet!psinntp!dorsai.com!mutation
  3. From: mutation@dorsai.com (Florian Lengyel)
  4. Subject: Mathematical Monthly problem
  5. Message-ID: <1992Nov6.081931.3853@dorsai.com>
  6. Organization: The Dorsai Embassy +1.718.729.5018
  7. X-Newsreader: Tin 1.1 PL4
  8. Date: Fri, 6 Nov 1992 08:19:31 GMT
  9. Lines: 201
  10.  
  11. I would appreciate someone giving me a trivial reason why I misunderstood
  12. the following trivial problem from the American Mathematical Monthly:
  13.  
  14. E3427. {\sl Proposed by R. Padmanabhan, N.S. Mendelson, and B. Wolk,
  15. University of Manitoba, Winnipeg, Canada}
  16. \medskip
  17.  
  18. My trivial solution follows:
  19.  
  20. Let $S$ denote the set obtained by formally adjoining an element $e$
  21. to the set {\bf Q} of rational numbers. On $S$ define a binary operation
  22. $\circ$ as follows:
  23. $$
  24. \eqalign{  % first eqalign in this math display because only one & is 
  25. % allowed per \eqalign and this display requires two of them!
  26. p \circ q &= (3 + pq)/(p + q)   \cr 
  27. p \circ q &= e                        \cr
  28. x \circ e &= x                        \cr                        
  29. } % end of first eqalign
  30. \qquad  % leave some room (which is needed)
  31. \eqalign{ % second eqalign in this math display
  32. &{{\sl if\ }} p \in {\bf Q}, q \in {\bf Q}, p \ne q,          \cr
  33. &{{\sl if\ }} p \in {\bf Q}, q \in {\bf Q} , p = -q,         \cr
  34. &{\sl for\ all\ } x \in S.                \cr
  35. } % end of second eqalign
  36. $$
  37. (a) Prove that $(S, \circ)$ is an abelian group isomorphic to a subgroup
  38. of the real numbers.
  39. \smallskip\noindent
  40. (b) If $p$ is a positive rational number, put $p_1 = p, p_2 = p\circ p,
  41. p_3 = p\circ p\circ p, \ldots$. Show that $\lim_{n \to \infty} p_n$ exists
  42. and find the limit. For which values of p is the sequence 
  43. $\{p_n\}_{n=1}^\infty$ monotonic?
  44.  
  45. \medskip
  46. {\baselineskip = 2\baselineskip
  47. To show (a), it suffices to exhibit a bijection $f: S \to {\bf R}^{\ne 0}$
  48. such that the image of $f$ is a subgroup of $({\bf R}^{\ne 0}, *)$ and
  49. $\forall x, y \in S, f(x \circ y) = f(x)f(y)$. In that case the axioms
  50. for an abelian group will be satisfied by $(S, \circ)$ by virtue of
  51. $x \circ y = f^{-1}(f(x)f(y))$ and because these axioms hold for
  52. $({\bf R}^{\ne 0}, *)$.
  53.  
  54. A mapping $f: S \to {\bf R}$ can be obtained by differentiating the
  55. homomorphism equation (interpreted over {\bf R} with $p \ne -q$, 
  56. for the time being) $f(p \circ q) = f(p) f(q)$ with respect to $p$:
  57. $$
  58.         f'\left(3 + pq \over p + q\right) 
  59.         \left(q^2 - 3 \over (p + q)^2 \right) 
  60.         = f'(p) f(q)
  61. $$
  62. For fixed $q$, $p = \pm\sqrt{3}$ is a fixed point of 
  63. $p \mapsto p \circ q$:
  64. $$
  65.         {3 + pq \over p + q} = p \Leftrightarrow 3 + pq = p^2 + pq
  66.                                  \Leftrightarrow p^2 = 3.
  67. $$
  68. Therefore,
  69. $$
  70.         f'(\sqrt{3}) 
  71.         { (q - \sqrt{3})(q + \sqrt{3}) \over (q + \sqrt{3})(q + \sqrt{3}) }
  72.         = f'(\sqrt{3})f(q) \Rightarrow f(q) =
  73.         { q - \sqrt{3} \over q + \sqrt{3} }.
  74. $$
  75. } % \baselineskip
  76. %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
  77. % New Page!
  78. %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
  79. \vfill\eject
  80. \centerline{ Florian Lengyel, 35--37 West 64th Street, Apt. 2H, NY 10023. 
  81. (212) 580--8188. }
  82. \bigskip
  83.  
  84. {\baselineskip = 2\baselineskip
  85. {\sl NOTE: The statement of the problem leaves open the value of 
  86. $\circ : S \times S \to S$ on $\{e\}\times {\bf Q}$; however, 
  87. if $(S, \circ)$ defined as above is a group then $e$ must be its 
  88. identity element: 
  89. $  \exists x\in {\bf Q}, \forall y \in {\bf Q}, y \circ x = x $
  90. implies that $x = \pm\sqrt{3}$, a contradiction. The only possible way to
  91. complete the definition of $\circ$ so that $(S, \circ)$ will be
  92. a group is to define $e \circ x = x$ for each $x \in S$; any other
  93. assignment of values to $e \circ x \in S$ for $x \in S$ will
  94. not complete the definition of $\circ$ to a group operation.
  95. From now on it will be assumed that $x \circ e = e \circ x = x$
  96. for all $x \in S$. } % slanted type for emphasis.
  97. \medskip 
  98.  
  99. Define a mapping $f : S \to {\bf R}^{\ne 0}$ by
  100. $$
  101. p  \mapsto 
  102. \cases{ 
  103.   {\displaystyle p - \sqrt{3} \over\displaystyle p + \sqrt{3}} 
  104.                           &if $p \in {\bf Q}$;\cr
  105.    &\cr
  106.    1   &if $p = e \in S$.\cr
  107. }  % \cases        
  108. $$
  109. The inverse of $f$ on $f(S)$ is given by
  110. $$
  111. f^{-1}(x) = 
  112. \cases{
  113.         {\displaystyle x + 1 \over\displaystyle 1 - x}\sqrt{3} 
  114.         &if $ x \in f(S) \wedge x \ne 1$;\cr
  115.         &\cr
  116.         e        &if $x = 1$\cr
  117. } % \cases
  118. $$
  119. Claim: $\forall x, y \in S, f(x \circ y) = f(x)f(y)$  (for the 
  120. corrected definition of $\circ$ in the statement of the problem).
  121. For $x, y \in {\bf Q}, x \ne -y$: 
  122. $$
  123.   f(x \circ y) =
  124.   f\left( { 3 + xy \over x + y }\right) =
  125.   { \displaystyle{ 3 + xy \over x + y } - \sqrt{3}
  126.     \over
  127.     \displaystyle{ 3 + xy \over x + y } + \sqrt{3}
  128.   } =
  129.   { xy - (x+y)\sqrt{3} + 3
  130.     \over
  131.     xy + (x+y)\sqrt{3} + 3
  132.   } =
  133.   {x-\sqrt{3} \over x+\sqrt{3}}  {y-\sqrt{3} \over y+\sqrt{3}}  
  134. = f(x)f(y)
  135. $$
  136. For $x, y \in {\bf Q}, x = -y, f(x \circ y) = f(e) = 1 = f(x)f(x)^{-1}
  137. = f(x)f(y)$. For $x \in S, f(x \circ e) = f(x) = f(x)f(e) = f(e)f(x) =
  138. f(e \circ x).$
  139.  
  140. Note that $f(S)$ is a multiplicative subgroup of ${\bf R^{\ne 0}}$, so that 
  141. the relation $\forall x, y \in S, x \circ y = f^{-1}(f(x)f(y))$ 
  142. makes $(S, \circ)$ into abelian group, 
  143. isomorphic to $(f(S), *)$ under $f : S \to f(S)$.  
  144.  
  145. \medskip
  146.  
  147. For (b), the limit of the sequence $\{p_n\}_{n = 1}^\infty$ is $\sqrt{3}$;
  148. the sequence is monotonic for  $p > \sqrt{3}$. 
  149.  
  150. For the first assertion, notice that
  151. $   f(p_n) = f(p \circ {\ldots\atop n} \circ p) = f(p)^n =
  152.     \displaystyle{\left( { p - \sqrt{3}} \over {p + \sqrt{3}} \right)^n}.
  153. $
  154. } % \baselineskip
  155.  
  156. %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
  157. % New Page !!
  158. %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
  159. \vfill\eject
  160. \centerline{ Florian Lengyel, 35--37 West 64th Street, Apt. 2H, NY 10023. 
  161. (212) 580--8188. }
  162. \bigskip
  163.  
  164. {\baselineskip = 2\baselineskip
  165.  
  166. For $p > 0$ we have
  167. $$
  168.     \left|{ {p - \sqrt{3}} \over {p + \sqrt{3}}}\right| < 1 \Leftrightarrow
  169.     -1 < { p - \sqrt{3} \over p + \sqrt{3} } < 1 \Leftrightarrow
  170.     -p - \sqrt{3} < p - \sqrt{3} < p + \sqrt{3} \Leftrightarrow
  171.     -p < p < p + 2 \sqrt{3}
  172. $$
  173. which is true since $p > 0$; this implies
  174. $\displaystyle{
  175. \lim_{n \to \infty} \left({{p - \sqrt{3}} \over {p + \sqrt{3}}}\right)^n = 0
  176. }$.
  177. \smallskip\noindent
  178. By continuity of the inverse,
  179. $$
  180. \lim_{n \to \infty} p_n =
  181. \lim_{n \to \infty} f^{-1}(f(p_n)) =
  182. f^{-1}(\lim_{n \to \infty} f(p_n)) =
  183. f^{-1}(0) = \sqrt{3}.
  184. $$
  185. For the second assertion, notice that $f$ is order preserving 
  186. on ${\bf Q}^{> 0}$ (and on ${\bf R}^{> 0}$ for that matter):
  187. $$
  188. {{p - \sqrt{3}} \over {p + \sqrt{3}}} < {{q - \sqrt{3}} \over {q + \sqrt{3}}}
  189. \Leftrightarrow
  190. pq + (p-q)\sqrt{3} + 3 < pq + (q-p)\sqrt{3} + 3
  191. \Leftrightarrow
  192. p - q < q - p
  193. \Leftrightarrow
  194. 2p < 2q 
  195. \Leftrightarrow p < q.
  196. $$
  197. For $ 0 < p < \sqrt{3}, 
  198. \displaystyle{\left(p - \sqrt{3} \over p + \sqrt{3}\right)^n} $
  199. oscillates around 0: since $f$ (and so $f^{-1}$) is order preserving,
  200. $\{p_n\}_{n=1}^{\infty}$ 
  201. is not monotonic. 
  202. On the other hand,
  203. if $p > \sqrt{3}$, the sequence 
  204. $ \displaystyle{\left(p - \sqrt{3} \over p + \sqrt{3}\right)^n} $
  205. strictly decreases to zero; since $f^{-1}$ is order preserving,
  206. $\{p_n\}_{n=1}^{\infty}$ is  monotonic. 
  207. } % \baselineskip
  208. \bye
  209. -- 
  210. MUTATION@DORSAI.COM
  211. FLORIAN@NEOTERIC.COM
  212.