定理

对于实数x>0x>0,定义序列{an}\{a_n\}为a1=x,  an+1=xana_1=x,\;a_{n+1}=x^{a_n}(即无穷幂塔xxx⋯x^{x^{x^\cdots}})。则该序列收敛当且仅当e−e≤x≤e1/e{\rm e^{-e}}\le x\le\rm e^{1/e}。此时极限LL满足L=xLL=x^L,且

  • 当x=e1/ex=\rm e^{1/e}时L=eL=\rm e;
  • 当x=e−ex=\rm e^{-e}时L=e−1L=\rm e^{-1};
  • 当e−e<x<e1/e{\rm e^{-e}}<x<\rm e^{1/e}时LL是唯一满足L=xLL=x^L的数,且L∈(e−1,e)L\in\rm(e^{-1},e)。

证明

  1. 不动点与辅助函数

设f(t)=xtf(t)=x^t,则an+1=f(an)a_{n+1}=f(a_n)。不动点满足t=xtt=x^t。取对数(t>0t>0)得

$$\ln t=t\ln x\quad\Longleftrightarrow\quad\ln x=\frac{\ln t}t.$$

定义g(t)=ln⁡tt  (t>0)g(t)=\dfrac{\ln t}t\;(t>0)。求导得g′(t)=1−ln⁡tt2g'(t)=\dfrac{1-\ln t}{t^2},故gg在(0,e)(0,\rm e)单调递增,在(e,∞)\rm(e,\infty)单调递减,在t=et=\rm e处取最大值g(e)=1/eg(e)=\rm1/e,且lim⁡t→0+g(t)=−∞\lim_{t\to0^+}g(t)=-\infty,lim⁡t→∞g(t)=0\lim_{t\to\infty}g(t)=0。因此方程ln⁡x=g(t)\ln x=g(t)有解当且仅当ln⁡x≤1/e\ln x\le \rm1/e,即x≤e1/ex\le \rm e^{1/e}。解的情况:

  • 0<x<10<x<1:唯一解t∗∈(0,1)t^*\in(0,1);
  • x=1x=1:解t∗=1t^*=1;
  • 1<x<e1/e1<x<\rm e^{1/e}:两个解t1∈(1,e)t_1\in\rm(1,e)和t2∈(e,∞)t_2\in\rm(e,\infty);
  • x=e1/ex=\rm e^{1/e}:唯一解t∗=et^*=\rm e。
  1. 充分性(x∈[e−e,e1/e]x\in\rm[e^{-e},e^{1/e}]时收敛)

我们分情况证明序列收敛到相应的不动点。

(i) x=e1/ex=\rm e^{1/e}

此时t∗=et^*=\rm e。归纳易证an<ea_n<\rm e且an+1>ana_{n+1}>a_n(因x>1x>1),故{an}\{a_n\}递增有上界,收敛。设极限为LL,则L=xLL=x^L,解得L=eL=\rm e。

(ii) x=e−ex=\rm e^{-e}

此时t∗=e−1t^*=\rm e^{-1}。考虑奇偶子列bn=a2n−1,  cn=a2nb_n=a_{2n-1},\;c_n=a_{2n}。可证bnb_n递减且bn>e−1b_n>\rm e^{-1},cnc_n递增且cn<e−1c_n<\rm e^{-1}(归纳基础:a1=e−e<e−1a_1=\rm e^{-e}<e^{-1},a2=e−e1−e>e−1a_2=\rm e^{-e^{1-e}}>e^{-1};归纳步利用ff递减及f(e−1)=e−1f\rm(e^{-1})=e^{-1})。故{bn},{cn}\{b_n\},\{c_n\}均收敛,且极限同为e−1\rm e^{-1}(否则将产生不同于e−1\rm e^{-1}的2‑周期,但与ff的性质矛盾)。因此an→e−1a_n\to\rm e^{-1}。

(iii) e−e<x<1{\rm e^{-e}}<x<1

令t∗∈(0,1)t^*\in(0,1)为唯一不动点。类似(ii)可证奇偶子列单调性相反且有界:bnb_n递减趋于t∗t^*,cnc_n递增趋于t∗t^*(关键是利用ff递减及f(t∗)=t∗f(t^*)=t^*,以及∣f′(t∗)∣=∣ln⁡t∗∣<1|f'(t^*)|=|\ln t^*|<1保证唯一性)。故an→t∗a_n\to t^*。

(iv) 1<x<e1/e1<x<\rm e^{1/e}

令t1∈(1,e)t_1\in\rm(1,e)为较小的不动点。因x>1x>1,ff递增。归纳可证ana_n递增且an<t1a_n<t_1(基础:a1=x<t1a_1=x<t_1;步:an+1=xan<xt1=t1a_{n+1}=x^{a_n}<x^{t_1}=t_1)。故{an}\{a_n\}收敛,极限必为t1t_1。

(v) x=1x=1

显然an≡1a_n\equiv1,收敛。

综上,对一切x∈[e−e,e1/e]x\in\rm[e^{-e},e^{1/e}],序列收敛。

  1. 必要性(收敛则x∈[e−e,e1/e]x\in\rm[e^{-e},e^{1/e}])

设an→La_n\to L。则L=xLL=x^L,即x=L1/Lx=L^{1/L}。定义h(L)=L1/L  (L>0)h(L)=L^{1/L}\;(L>0),则x=h(L)x=h(L)。由h(L)=eg(L)h(L)={\rm e}^{g(L)}及gg的性质知hh在(0,e)\rm(0,e)递增,在(e,∞)\rm(e,\infty)递减,最大值为h(e)=e1/eh\rm(e)=e^{1/e},且lim⁡L→0+h(L)=0\lim_{L\to0^+}h(L)=0,lim⁡L→∞h(L)=1\lim_{L\to\infty}h(L)=1。

若序列收敛且L≠1L\neq1,则不动点LL必须吸引,即∣f′(L)∣<1|f'(L)|<1(否则迭代会远离LL,除非初值恰为LL,但a1=x=L1/L≠La_1=x=L^{1/L}\neq L除非L=1L=1)。而f′(L)=xLln⁡x=Lln⁡x=ln⁡Lf'(L)=x^L\ln x=L\ln x=\ln L,故∣ln⁡L∣<1|\ln L|<1,即L∈(e−1,e)L\in\rm(e^{-1},e)。若L=1L=1,则x=1∈[e−e,e1/e]x=1\in\rm[e^{-e},e^{1/e}]。因此总有L∈[e−1,e]L\in\rm[e^{-1},e]。在此区间上hh单调递增,故

$$x=h(L)\in[h({\rm e}^{-1}),h(\rm e)]=[e^{-e},e^{1/e}].$$
  1. 发散情形
  • x>e1/ex>\rm e^{1/e}:无不动点,若存在极限则必满足不动点方程,矛盾。实际可证an→∞a_n\to\infty。
  • x<e−ex<\rm e^{-e}:不动点t∗<e−1t^*<\rm e^{-1},且∣f′(t∗)∣>1|f'(t^*)|>1。分析奇偶子列可知它们收敛到不同的极限,形成2‑周期,故原序列发散。

综上,序列{x↑↑n}\{x\uparrow\uparrow n\}收敛当且仅当e−e≤x≤e1/e{\rm e^{-e}}\le x\le \rm e^{1/e}。∎