Cho dãy số \(\left( {{u_n}} \right)\) với \({u_n} = \frac{{an + b}}{{cn + d}}\) với \(a,b,c,d\) là các số thực và \(cn + d > 0\) với mọi \(n \in {\mathbb{N}^*}\).

a) Chứng minh rằng: Nếu \(ad - bc > 0\) thì \(\left( {{u_n}} \right)\) là một dãy tăng, còn \(ad - bc < 0\) thì \(\left( {{u_n}} \right)\) là một dãy giảm và khi \(ad - bc = 0\) thì \(\left( {{u_n}} \right)\) là một dãy không thay đổi, tức là \({u_1} = {u_2} = ... = {u_n}\).

b) Tính giá trị của các số hạng trong dãy khi dãy \(\left( {{u_n}} \right)\) là dãy không thay đổi.

Hướng dẫn giải:

a) Xét \(\left( {{u_n}} \right)\) với \({u_n} = \frac{{an + b}}{{cn + d}}\), ta có:

\({u_{n + 1}} - {u_n} = \frac{{a\left( {n + 1} \right) + b}}{{c\left( {n + 1} \right) + d}} - \frac{{an + b}}{{cn + d}} = \frac{{an + \left( {a + b} \right)}}{{cn + \left( {c + d} \right)}} - \frac{{an + b}}{{cn + d}}\)

\( = \frac{{\left[ {an + \left( {a + b} \right)} \right]\left( {cn + d} \right) - \left[ {cn + \left( {c + d} \right)} \right]\left( {an + b} \right)}}{{\left( {cn + d} \right)\left[ {cn + \left( {c + d} \right)} \right]}}\)

\( = \frac{{ac{n^2} + \left( {ad + ac + bc} \right)n + d\left( {a + b} \right) - \left[ {ac{n^2} + n\left( {bc + ac + ad} \right) + b\left( {c + d} \right)} \right]}}{{\left( {cn + d} \right)\left[ {cn + \left( {c + d} \right)} \right]}}\)

\( = \frac{{ad - bc}}{{\left( {cn + d} \right)\left[ {cn + \left( {c + d} \right)} \right]}}\)

Vì \(c,d\) là các số thực thoả mãn \(cn + d > 0,\forall n \in {\mathbb{N}^*}\) nên \(\left( {cn + d} \right)\left[ {cn + \left( {c + d} \right)} \right] > 0\).

Do đó, ta có các trường hợp sau:

Khi \(ad - bc > 0\) thì \({u_{n + 1}} - {u_n} = \frac{{ad - bc}}{{\left( {cn + d} \right)\left[ {cn + \left( {c + d} \right)} \right]}} > 0 \Leftrightarrow {u_{n + 1}} > {u_n},\forall n \in {\mathbb{N}^*}\), hay \(\left( {{u_n}} \right)\) là dãy tăng.

Khi \(ad - bc < 0\) thì \({u_{n + 1}} - {u_n} = \frac{{ad - bc}}{{\left( {cn + d} \right)\left[ {cn + \left( {c + d} \right)} \right]}} < 0 \Leftrightarrow {u_{n + 1}} < {u_n},\forall n \in {\mathbb{N}^*}\), hay \(\left( {{u_n}} \right)\) là dãy giảm.

Khi \(ad - bc = 0\) thì \({u_{n + 1}} - {u_n} = \frac{{ad - bc}}{{\left( {cn + d} \right)\left[ {cn + \left( {c + d} \right)} \right]}} = 0 \Leftrightarrow {u_{n + 1}} = {u_n},\forall n \in {\mathbb{N}^*}\).

Vậy \({u_1} = {u_2} = {u_3} = ... = {u_n}\), hay \(\left( {{u_n}} \right)\) là một dãy không thay đổi.

b) \(ad - bc = 0 \Leftrightarrow ad = bc \Leftrightarrow \frac{a}{c} = \frac{b}{d}\). Đặt \(\frac{a}{c} = \frac{b}{d} = t\left( {t \ne 0} \right) \Rightarrow \left\{ \begin{array}{l}a = ct\\b = dt\end{array} \right.\).

Khi đó \({u_n} = \frac{{an + b}}{{cn + d}} = \frac{{ct.n + dt}}{{cn + d}} = \frac{{t\left( {cn + d} \right)}}{{cn + d}} = t\) hay \({u_n} = \frac{a}{c}\).

Vậy \({u_n} = \frac{a}{c}\) với mọi \(n \in {\mathbb{N}^*}\).