Question Number 201070 by Rodier97 last updated on 29/Nov/23
$$ \\ $$$$ \\ $$$$\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:{Un}\:=\:\underset{{k}=\mathrm{1}} {\overset{{n}} {\sum}}\:\frac{\mathrm{1}}{\begin{pmatrix}{{n}}\\{{k}}\end{pmatrix}} \\ $$$$ \\ $$$${show}\:\:{that}\:{the}\:{sequence}\:{converges}\:{and} \\ $$$${determine}\:{the}\:{limit}\: \\ $$$$ \\ $$$$ \\ $$$$ \\ $$$$ \\ $$
Answered by Frix last updated on 29/Nov/23
$$\frac{\mathrm{1}}{\begin{pmatrix}{{n}}\\{{k}}\end{pmatrix}}=\frac{{k}!\left({n}−{k}\right)!}{{n}!} \\ $$$${U}_{{n}} =\mathrm{1}+\underset{{k}=\mathrm{1}} {\overset{{n}−\mathrm{1}} {\sum}}\:\frac{{k}!\left({n}−{k}\right)!}{{n}!}\:=\mathrm{1}+\frac{\mathrm{1}}{{n}!}\underset{{k}=\mathrm{1}} {\overset{{n}−\mathrm{1}} {\sum}}\:{k}!\left({n}−{k}\right)! \\ $$$$\mathrm{The}\:\mathrm{greatest}\:\mathrm{summands}\:\mathrm{are}\:\mathrm{those}\:\mathrm{with} \\ $$$${k}=\mathrm{1},\:{k}={n}−\mathrm{1}.\:\mathrm{Their}\:\mathrm{sum}\:\mathrm{is}\:\frac{\mathrm{2}}{{n}}.\:\mathrm{The}\:\mathrm{next} \\ $$$$\mathrm{are}\:{k}=\mathrm{2},\:{k}={n}−\mathrm{2}.\:\mathrm{Their}\:\mathrm{sum}\:\mathrm{is}\:\frac{\mathrm{4}}{{n}^{\mathrm{2}} −{n}} \\ $$$${k}=\mathrm{3},\:{k}={n}−\mathrm{3}\:\Rightarrow\:\frac{\mathrm{12}}{{n}^{\mathrm{3}} −\mathrm{3}{n}^{\mathrm{2}} +\mathrm{2}{n}} \\ $$$$… \\ $$$$\frac{\mathrm{2}}{{n}} \\ $$$$\frac{\mathrm{2}}{{n}}+\frac{\mathrm{4}}{{n}^{\mathrm{2}} −{n}}=\frac{\mathrm{2}{n}+\mathrm{2}}{{n}^{\mathrm{2}} −{n}} \\ $$$$\frac{\mathrm{2}}{{n}}+\frac{\mathrm{4}}{{n}^{\mathrm{2}} −{n}}+\frac{\mathrm{12}}{{n}^{\mathrm{3}} −\mathrm{3}{n}^{\mathrm{2}} +\mathrm{2}{n}}=\frac{\mathrm{2}{n}^{\mathrm{2}} −\mathrm{2}{n}+\mathrm{8}}{{n}^{\mathrm{3}} −\mathrm{3}{n}^{\mathrm{2}} +\mathrm{2}{n}} \\ $$$$… \\ $$$$\mathrm{We}\:\mathrm{end}\:\mathrm{up}\:\mathrm{with}\:\frac{{an}^{{p}} +…}{{n}^{{p}+\mathrm{1}} +…} \\ $$$$\underset{{n}\rightarrow\infty} {\mathrm{lim}}\:\frac{{an}^{{p}} +…}{{n}^{{p}+\mathrm{1}} +…}\:=\mathrm{0} \\ $$$$\Rightarrow \\ $$$$\underset{{n}\rightarrow\infty} {\mathrm{lim}}\:{U}_{{n}} \:=\mathrm{1} \\ $$