<?xml version="1.0" encoding="utf-8"?>
<!DOCTYPE article PUBLIC "-//NLM//DTD JATS (Z39.96) Journal Publishing DTD v1.0 20120330//EN" "JATS-journalpublishing1.dtd">
<article xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" article-type="research-article">
<front>
<journal-meta>
<journal-id journal-id-type="publisher-id">VMSTA</journal-id>
<journal-title-group><journal-title>Modern Stochastics: Theory and Applications</journal-title></journal-title-group>
<issn pub-type="epub">2351-6054</issn><issn pub-type="ppub">2351-6046</issn><issn-l>2351-6046</issn-l>
<publisher>
<publisher-name>VTeX</publisher-name><publisher-loc>Mokslininkų g. 2A, 08412 Vilnius, Lithuania</publisher-loc>
</publisher>
</journal-meta>
<article-meta>
<article-id pub-id-type="publisher-id">VMSTA314</article-id>
<article-id pub-id-type="doi">10.15559/26-VMSTA314</article-id>
<article-categories><subj-group subj-group-type="heading">
<subject>Research Article</subject></subj-group></article-categories>
<title-group>
<article-title>Exact variational cost for small-noise exit time in a two-slope autoregressive model</article-title>
</title-group>
<contrib-group>
<contrib contrib-type="author">
<contrib-id contrib-id-type="orcid">https://orcid.org/0009-0000-7575-1851</contrib-id>
<name><surname>Aliev</surname><given-names>Abdurahmon F.</given-names></name><email xlink:href="mailto:aliev95@gbu.edu.cn">aliev95@gbu.edu.cn</email><xref rid="j_vmsta314_aff_001" ref-type="aff">a</xref><xref rid="cor1" ref-type="corresp">∗</xref>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<contrib-id contrib-id-type="orcid">https://orcid.org/0000-0002-5836-3520</contrib-id>
<name><surname>Dzhalilov</surname><given-names>Akhtam A.</given-names></name><email xlink:href="mailto:adzhalilov21@gmail.com">adzhalilov21@gmail.com</email><xref rid="j_vmsta314_aff_002" ref-type="aff">b</xref>
</contrib>
<aff id="j_vmsta314_aff_001"><label>a</label>School of Natural Science, <institution>Great Bay University</institution>, Daxue street 16, Songshan Lake, Dongguan, Guangdong 523000, <country country="CN">China</country></aff>
<aff id="j_vmsta314_aff_002"><label>b</label><institution>Turin Polytechnic University in Tashkent</institution>, Kichik Halka yuli 17, Tashkent 100095, <country country="UZ">Uzbekistan</country></aff>
</contrib-group>
<author-notes>
<corresp id="cor1"><label>∗</label>Corresponding author.</corresp>
</author-notes>
<pub-date pub-type="ppub"><year>2026</year></pub-date>
<pub-date pub-type="epub"><day>4</day><month>11</month><year>2026</year></pub-date><volume content-type="ahead-of-print">0</volume><issue>0</issue><fpage>1</fpage><lpage>28</lpage><history><date date-type="received"><day>1</day><month>8</month><year>2026</year></date><date date-type="revised"><day>26</day><month>10</month><year>2026</year></date><date date-type="accepted"><day>26</day><month>10</month><year>2026</year></date></history>
<permissions><copyright-statement>© 2026 The Author(s). Published by VTeX.</copyright-statement><copyright-year>2026</copyright-year>
<license license-type="open-access" xlink:href="http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/">
<license-p>Open access article under the <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/">CC BY</ext-link> license.</license-p></license></permissions>
<abstract>
<p>We determine the quadratic variational cost that yields the large-deviation upper bound for the mean exit time from <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_001"><alternatives><mml:math>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$(-1,1)$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> in the small-noise regime for an autoregressive process driven by a continuous two-slope map <italic>f</italic> lying strictly below the diagonal on <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_002"><alternatives><mml:math>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$(0,1)$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. The Klebaner–Liptser reduction expresses this constant as an infimum, over all finite horizons, of quadratic path actions. Högnäs and Jung studied several nonlinear and piecewise-linear autoregressive maps and evaluated the corresponding variational problem for the two-slope family in the boundary cases in which one of the slopes vanishes; the case in which both slopes <italic>p</italic> and <italic>q</italic> are nonzero was left open. We solve this remaining case over the full admissible parameter range, including the finite-horizon attainment question, and give an exact parameter classification of the cost. We also settle the remaining boundary regimes <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_003"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$q=1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_004"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mspace width="2.5pt"/>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$p=0,\hspace{2.5pt}q\gt 1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, as well as the limiting case <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_005"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">f</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$f(1)=1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. Together with the earlier boundary formulas, this completes the exact variational analysis of continuous two-slope maps satisfying <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_006"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">f</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$f(x)\lt x$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> for <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_007"><alternatives><mml:math>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$0\lt x\lt 1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>.</p>
</abstract>
<kwd-group>
<label>Keywords</label>
<kwd>Exit time</kwd>
<kwd>nonlinear autoregressive process</kwd>
<kwd>large deviation principle</kwd>
<kwd>discrete quasipotential</kwd>
<kwd>piecewise-linear map</kwd>
<kwd>breakpoint-constrained variational problem</kwd>
</kwd-group>
<kwd-group kwd-group-type="MSC2020">
<label>2020 MSC</label>
<kwd>60F10</kwd>
<kwd>60J05</kwd>
<kwd>39A50</kwd>
<kwd>49J21</kwd>
</kwd-group>
</article-meta>
</front>
<body>
<sec id="j_vmsta314_s_001">
<label>1</label>
<title>Introduction</title>
<p>Small random perturbations of stable deterministic systems often produce a characteristic metastable behaviour: the process remains close to an attracting state for a long time and then leaves its neighbourhood through a rare fluctuation. In population models this mechanism is related to persistence near a carrying capacity and to the onset of extinction [<xref rid="j_vmsta314_ref_005" ref-type="bibr">5</xref>–<xref rid="j_vmsta314_ref_007" ref-type="bibr">7</xref>]. This motivation leads naturally to the study of small-noise autoregressive recursions.</p>
<p>The model considered here is
<disp-formula id="j_vmsta314_eq_001">
<label>(1.1)</label><alternatives><mml:math display="block">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ε</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">h</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ε</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">ε</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mspace width="20.0pt"/>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ε</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[\[{X_{n+1}^{\varepsilon }}=h({X_{n}^{\varepsilon }})+\varepsilon {\xi _{n+1}},\hspace{20.0pt}{X_{0}^{\varepsilon }}=0,\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula>
where the innovations are independent standard Gaussian random variables and <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_008"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">ε</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$\varepsilon \gt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> is small. We study the first exit time <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_009"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ε</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo>min</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">{</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">|</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ε</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">|</mml:mo>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">}</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[${\tau _{\varepsilon }}:=\min \{n\ge 1:|{X_{n}^{\varepsilon }}|\ge 1\}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> from <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_010"><alternatives><mml:math>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$(-1,1)$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. The large-deviation method of Klebaner and Liptser [<xref rid="j_vmsta314_ref_012" ref-type="bibr">12</xref>] (see [<xref rid="j_vmsta314_ref_017" ref-type="bibr">17</xref>] for the general theory) reduces an exponential upper bound for <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_011"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ε</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${\mathbb{E}_{0}}{\tau _{\varepsilon }}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> to an infimum, over finite horizons, of quadratic path actions. The resulting constant is a discrete quasipotential: it measures the least noise energy required to drive the deterministic system from the stable fixed point to the boundary. The present paper evaluates this variational constant exactly for a continuous two-slope map.</p>
<p>For the linear autoregression <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_012"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">h</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">px</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$h(x)=\mathit{px}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_013"><alternatives><mml:math>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">|</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">|</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$|p|\lt 1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, the variational problem is explicit and gives the sharp value <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_014"><alternatives><mml:math>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$(1-{p^{2}})/2$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. The same large-deviation framework has been developed for past-dependent recursions, moderate deviations, multivariate autoregressions, ARMA processes, and non-Gaussian noise [<xref rid="j_vmsta314_ref_012" ref-type="bibr">12</xref>, <xref rid="j_vmsta314_ref_013" ref-type="bibr">13</xref>, <xref rid="j_vmsta314_ref_011" ref-type="bibr">11</xref>, <xref rid="j_vmsta314_ref_014" ref-type="bibr">14</xref>, <xref rid="j_vmsta314_ref_009" ref-type="bibr">9</xref>]. Complementary approaches to first-passage and level-crossing questions use martingale and analytic methods [<xref rid="j_vmsta314_ref_016" ref-type="bibr">16</xref>, <xref rid="j_vmsta314_ref_015" ref-type="bibr">15</xref>, <xref rid="j_vmsta314_ref_004" ref-type="bibr">4</xref>, <xref rid="j_vmsta314_ref_002" ref-type="bibr">2</xref>, <xref rid="j_vmsta314_ref_003" ref-type="bibr">3</xref>]. Piecewise-linear and threshold autoregressions are classical nonlinear time-series models [<xref rid="j_vmsta314_ref_001" ref-type="bibr">1</xref>], but their exit variational problems are much less explicit than in the linear case.</p>
<p>Högnäs and Jung [<xref rid="j_vmsta314_ref_010" ref-type="bibr">10</xref>] studied several nonlinear and piecewise-linear autoregressive maps and obtained explicit bounds in a number of special cases; see also [<xref rid="j_vmsta314_ref_008" ref-type="bibr">8</xref>] for exit times and invariant distributions of a related stochastic difference equation. For the continuous two-slope family considered below, their formulas cover the boundary cases in which one of the two slopes vanishes. The case in which both slopes are nonzero was not evaluated. This is the remaining case in which the breakpoint constraints genuinely enter the variational minimization.</p>
<p>We solve this remaining case over the full admissible parameter range. The analysis separates two classes of candidate minimizing paths: paths having a vertex at the breakpoint and paths with no internal vertex at the breakpoint. We compute the least cost in both classes, determine exactly when the stationary candidate in the second class satisfies the required inequalities, and compare it with the best breakpoint path. This yields a complete parameter classification involving an interior stationary value, a breakpoint value, or the linear value <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_015"><alternatives><mml:math>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$(1-{p^{2}})/2$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. We also treat the remaining boundary regimes <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_016"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$q=1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_017"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mspace width="2.5pt"/>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$p=0,\hspace{2.5pt}q\gt 1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, as well as the limiting case <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_018"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">f</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$f(1)=1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, and determine whether the variational infimum is attained at a finite horizon.</p>
<p>The condition studied in this paper is that the graph of the positive branch lies strictly below the diagonal, <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_019"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">f</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$f(x)\lt x$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> for <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_020"><alternatives><mml:math>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$0\lt x\lt 1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. It guarantees deterministic attraction toward the origin from every interior initial state, but it does not require both slopes to be smaller than one; in particular, an expanding second slope is allowed when the affine branch still remains below the diagonal. The regimes in which</p>
<p>the graph meets or rises above the diagonal inside <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_021"><alternatives><mml:math>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$(0,1)$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> have different deterministic and variational structures and are therefore left for separate treatment.</p>
<p>The paper is organized as follows. Section <xref rid="j_vmsta314_s_002">2</xref> formulates the exit-time variational problem, introduces the two-slope family and the monotone reduction, recalls the previously known boundary cases, and states the main classification. Section <xref rid="j_vmsta314_s_007">3</xref> proves the affine one-segment minimization used throughout, and Sections <xref rid="j_vmsta314_s_008">4</xref> and <xref rid="j_vmsta314_s_009">5</xref> analyze, respectively, paths that hit the breakpoint and paths with no internal vertex there. Section <xref rid="j_vmsta314_s_012">6</xref> states the key admissibility and comparison results needed for the constrained classification, Section <xref rid="j_vmsta314_s_013">7</xref> proves the main theorem, and Section <xref rid="j_vmsta314_s_014">8</xref> treats the remaining boundary regimes. The detailed proofs of the admissibility and comparison results are given in Section <xref rid="j_vmsta314_s_015">9</xref>.</p>
</sec>
<sec id="j_vmsta314_s_002">
<label>2</label>
<title>Variational formulation and proof architecture</title>
<sec id="j_vmsta314_s_003">
<label>2.1</label>
<title>Exit-time variational problem</title>
<p>Let <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_022"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">h</mml:mi>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">[</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">]</mml:mo>
<mml:mo>→</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">[</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">]</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$h:[-1,1]\to [-1,1]$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> be continuous, with <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_023"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">h</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$h(0)=0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_024"><alternatives><mml:math>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">|</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">h</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">|</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">|</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">|</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$|h(x)|\lt |x|$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> for <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_025"><alternatives><mml:math>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">|</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">|</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$0\lt |x|\lt 1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. For a finite path <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_026"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="bold">y</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>…</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$\mathbf{y}=({y_{0}},\dots ,{y_{N}})$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, define the quadratic action
<disp-formula id="j_vmsta314_eq_002">
<label>(2.1)</label><alternatives><mml:math display="block">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold">y</mml:mi>
<mml:mo>;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">h</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:munderover>
<mml:mrow>
<mml:mo largeop="true" movablelimits="false">∑</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo fence="true" stretchy="true" maxsize="12.09pt" minsize="12.09pt">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">h</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo fence="true" stretchy="true" maxsize="12.09pt" minsize="12.09pt">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="italic">.</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[\[{I_{N}}(\mathbf{y};h):=\frac{1}{2}{\sum \limits_{j=1}^{N}}{\Bigl({y_{j}}-h({y_{j-1}})\Bigr)^{2}}.\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula>
The associated exit-time variational cost is
<disp-formula id="j_vmsta314_eq_003">
<label>(2.2)</label><alternatives><mml:math display="block">
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">h</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>inf</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:mspace width="2.5pt"/>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>min</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtable columnalign="center">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mstyle scriptlevel="1">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mspace width="2.5pt"/>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">|</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">|</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:mstyle>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mstyle scriptlevel="1">
<mml:mo stretchy="false" fence="true">|</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">|</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mspace width="2.5pt"/>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>≤</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:mstyle>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold">y</mml:mi>
<mml:mo>;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">h</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">.</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[\[S(h):=\inf \limits_{N\ge 1}\hspace{2.5pt}\min \limits_{\substack{{y_{0}}=0,\hspace{2.5pt}|{y_{N}}|=1\\ {} |{y_{j}}|\lt 1\hspace{2.5pt}(1\le j\lt N)}}{I_{N}}(\mathbf{y};h).\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula>
The large-deviation reduction gives the following statement, which is the only probabilistic result from [<xref rid="j_vmsta314_ref_012" ref-type="bibr">12</xref>, <xref rid="j_vmsta314_ref_010" ref-type="bibr">10</xref>] used in the variational analysis below. We emphasize that no matching lower bound is asserted here for the nonlinear maps of this paper.</p>
<p><statement id="j_vmsta314_stat_001"><label>Theorem 2.1.</label>
<p><italic>For the process</italic> (<xref rid="j_vmsta314_eq_001">1.1</xref>)<italic>,</italic>
<disp-formula id="j_vmsta314_eq_004">
<alternatives><mml:math display="block">
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>lim sup</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ε</mml:mi>
<mml:mo>→</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ε</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>log</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ε</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>≤</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">h</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">.</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[\[\limsup \limits_{\varepsilon \to 0}{\varepsilon ^{2}}\log {\mathbb{E}_{0}}{\tau _{\varepsilon }}\le S(h).\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula>
</p></statement></p>
<p>For <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_027"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">h</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">px</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$h(x)=\mathit{px}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_028"><alternatives><mml:math>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">|</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">|</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$|p|\lt 1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, direct minimization gives <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_029"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">h</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$S(h)=(1-{p^{2}})/2$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, recovering the classical linear value. The problem in the nonlinear setting is thus to compute <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_030"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">h</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$S(h)$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, keeping this exact variational value distinct from a matching lower bound for the mean exit-time exponent, which is not presently available for the maps considered here.</p>
</sec>
<sec id="j_vmsta314_s_004">
<label>2.2</label>
<title>Two-slope family and monotone reduction</title>
<p>We now specialize the map <italic>h</italic> to the two-slope family and fix the notation. Let <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_031"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$\mathcal{F}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> be the family of continuous two-slope functions <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_032"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">f</mml:mi>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">[</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">]</mml:mo>
<mml:mo>→</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">[</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">]</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$f:[0,1]\to [0,1]$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> of the form
<disp-formula id="j_vmsta314_eq_005">
<label>(2.3)</label><alternatives><mml:math display="block">
<mml:mi mathvariant="italic">f</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfenced separators="" open="{" close="">
<mml:mtable columnalign="left left" columnspacing="0pt">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mi mathvariant="italic">px</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mspace width="10.0pt"/>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>≤</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
<mml:mo>≤</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mi mathvariant="italic">qx</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mspace width="10.0pt"/>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo>≤</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
<mml:mo>≤</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mspace width="20.0pt"/>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>≤</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mspace width="10.0pt"/>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mspace width="10.0pt"/>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[\[f(x)=\left\{\begin{array}{l@{\hskip0pt}l}\mathit{px},\hspace{10.0pt}& 0\le x\le c,\\ {} \mathit{qx}+c(p-q),\hspace{10.0pt}& c\le x\le 1,\end{array}\right.\hspace{20.0pt}0\le p\lt 1,\hspace{10.0pt}q\ge 0,\hspace{10.0pt}0\lt c\lt 1,\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula> 
which additionally satisfy
<disp-formula id="j_vmsta314_eq_006">
<label>(2.4)</label><alternatives><mml:math display="block">
<mml:mi mathvariant="italic">f</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
<mml:mspace width="30.0pt"/>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">.</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[\[f(x)\lt x\hspace{30.0pt}(0\lt x\lt 1).\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula>
Continuity at <italic>c</italic> is built into (<xref rid="j_vmsta314_eq_005">2.3</xref>), because the slope-<italic>p</italic> and slope-<italic>q</italic> pieces both take the value <italic>pc</italic> there.
<fig id="j_vmsta314_fig_001" position="float">
<label>Fig. 1</label>
<caption>
<p>Representative graphs in the two-slope family: (a) a flat first piece <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_033"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$p=0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>; (b) a flat second piece <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_034"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$q=0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>; (c) <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_035"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$q\gt p$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>; (d) <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_036"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$q\lt p$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. The dashed line is <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_037"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$y=x$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and the dot marks the breakpoint <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_038"><alternatives><mml:math>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">pc</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$(c,\mathit{pc})$]]></tex-math></alternatives></inline-formula></p>
</caption>
<graphic xlink:href="vmsta314_g001.jpg"><alt-text>Four two-slope maps illustrating p=0, q=0, q&gt;p, and q&lt;p, with marked breakpoints and dashed diagonals.</alt-text></graphic>
</fig>
</p>
<p>For <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_039"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">f</mml:mi>
<mml:mo>∈</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$f\in \mathcal{F}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, the exit-time problem for (<xref rid="j_vmsta314_eq_001">1.1</xref>) is driven by the symmetric extension of <italic>f</italic> to <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_040"><alternatives><mml:math>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">[</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">]</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$[-1,1]$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> defined in (<xref rid="j_vmsta314_eq_007">2.5</xref>) below, whose quasipotential (<xref rid="j_vmsta314_eq_003">2.2</xref>) is the object to be evaluated. We record, in the notation used throughout, the reduction of Högnäs and Jung [<xref rid="j_vmsta314_ref_010" ref-type="bibr">10</xref>] of this two-sided problem to a one-sided minimization over monotone paths. Take arbitrary <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_041"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">f</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">g</mml:mi>
<mml:mo>∈</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$f,g\in \mathcal{F}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and define a function on <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_042"><alternatives><mml:math>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">[</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">]</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$[-1,1]$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> by
<disp-formula id="j_vmsta314_eq_007">
<label>(2.5)</label><alternatives><mml:math display="block">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">h</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">f</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">g</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfenced separators="" open="{" close="">
<mml:mtable columnalign="left left" columnspacing="0pt">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mi mathvariant="italic">f</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mspace width="10.0pt"/>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>≤</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
<mml:mo>≤</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">g</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mspace width="10.0pt"/>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>≤</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
<mml:mo>≤</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">.</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:math><tex-math><![CDATA[\[{h_{f,g}}(x)=\left\{\begin{array}{l@{\hskip0pt}l}f(x),\hspace{10.0pt}& 0\le x\le 1,\\ {} -g(-x),\hspace{10.0pt}& -1\le x\le 0.\end{array}\right.\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula>
Because <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_043"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">f</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">g</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$f(0)=g(0)=0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, this function is continuous at the origin; moreover it is increasing and satisfies <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_044"><alternatives><mml:math>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">|</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">h</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">f</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">g</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">|</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">|</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">|</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$|{h_{f,g}}(x)|\lt |x|$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> for <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_045"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
<mml:mo>∈</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>∖</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">{</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">}</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$x\in (-1,1)\setminus \{0\}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. Write, for the one-sided monotone problem,
<disp-formula id="j_vmsta314_eq_008">
<label>(2.6)</label><alternatives><mml:math display="block">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">f</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>min</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>≤</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>≤</mml:mo>
<mml:mo>⋯</mml:mo>
<mml:mo>≤</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold">y</mml:mi>
<mml:mo>;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">f</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mspace width="20.0pt"/>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">f</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>inf</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">f</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">.</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[\[{S_{N}}(f):=\min \limits_{0={y_{0}}\le {y_{1}}\le \cdots \le {y_{N}}=1}{I_{N}}(\mathbf{y};f),\hspace{20.0pt}S(f):=\inf \limits_{N\ge 1}{S_{N}}(f).\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula>
Using Lemmas 1 and 3 of [<xref rid="j_vmsta314_ref_010" ref-type="bibr">10</xref>], the two-sided <italic>N</italic>-step problem decomposes into these one-sided monotone problems:
<disp-formula id="j_vmsta314_eq_009">
<label>(2.7)</label><alternatives><mml:math display="block">
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>min</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtable columnalign="center">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mstyle scriptlevel="1">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mspace width="2.5pt"/>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">|</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">|</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:mstyle>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mstyle scriptlevel="1">
<mml:mo stretchy="false" fence="true">|</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">|</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mspace width="2.5pt"/>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>≤</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi></mml:mstyle>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold">y</mml:mi>
<mml:mo>;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">h</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">f</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">g</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo>min</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">{</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">f</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">g</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">}</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">.</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[\[\min \limits_{\substack{{y_{0}}=0,\hspace{2.5pt}|{y_{N}}|=1\\ {} |{y_{j}}|\lt 1,\hspace{2.5pt}1\le j\lt N}}{I_{N}}(\mathbf{y};{h_{f,g}})=\min \{{S_{N}}(f),{S_{N}}(g)\}.\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula>
In particular, for the symmetric extension <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_046"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">h</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">f</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">f</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${h_{f,f}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, the two-sided <italic>N</italic>-step problem has value <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_047"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">f</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[${S_{N}}(f)$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. Taking the infimum over <italic>N</italic> in (<xref rid="j_vmsta314_eq_009">2.7</xref>) identifies the quasipotential (<xref rid="j_vmsta314_eq_003">2.2</xref>) of the introduction with these one-sided costs, <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_048"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">h</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">f</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">g</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo>min</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">{</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">f</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">g</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">}</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$S({h_{f,g}})=\min \{S(f),S(g)\}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_049"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">h</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">f</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">f</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">f</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$S({h_{f,f}})=S(f)$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, so that Theorem <xref rid="j_vmsta314_stat_001">2.1</xref> applies with the constant <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_050"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">f</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$S(f)$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> evaluated below.</p>
</sec>
<sec id="j_vmsta314_s_005">
<label>2.3</label>
<title>Previously known boundary cases</title>
<p>Högnäs and Jung [<xref rid="j_vmsta314_ref_010" ref-type="bibr">10</xref>] evaluated <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_051"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">f</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$S(f)$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> in the two boundary cases of the family (<xref rid="j_vmsta314_eq_005">2.3</xref>), where one of the slopes vanishes. We restate their results in the present notation.</p>
<p><statement id="j_vmsta314_stat_002"><label>Proposition 2.2</label>
<title>(Högnäs–Jung [<xref rid="j_vmsta314_ref_010" ref-type="bibr">10</xref>]).</title>
<p><italic>Let</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_052"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">f</mml:mi>
<mml:mo>∈</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$f\in \mathcal{F}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> <italic>have</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_053"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$p=0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula><italic>, with</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_054"><alternatives><mml:math>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>≤</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo>≤</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$0\le q\le 1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula><italic>. For</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_055"><alternatives><mml:math>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>≤</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$0\le q\lt 1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula><italic>,</italic>
<disp-formula id="j_vmsta314_eq_010">
<label>(2.8)</label><alternatives><mml:math display="block">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">f</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mspace width="20.0pt"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">f</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo fence="true" stretchy="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo fence="true" stretchy="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mspace width="10.0pt"/>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[\[{S_{1}}(f)=\frac{1}{2},\hspace{20.0pt}{S_{N}}(f)=\frac{1-{q^{2}}}{2}\frac{{\left(1+\displaystyle \frac{q-{q^{N}}}{1-q}c\right)^{2}}}{1-{q^{2N}}},\hspace{10.0pt}N\ge 2,\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula>
<italic>while for</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_056"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$q=1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula><italic>,</italic>
<disp-formula id="j_vmsta314_eq_011">
<label>(2.9)</label><alternatives><mml:math display="block">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">f</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mspace width="20.0pt"/>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">.</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[\[{S_{N}}(f)=\frac{{(1+(N-1)c)^{2}}}{2N},\hspace{20.0pt}N\ge 1.\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula>
</p></statement></p>
<p><statement id="j_vmsta314_stat_003"><label>Proposition 2.3</label>
<title>(Högnäs–Jung [<xref rid="j_vmsta314_ref_010" ref-type="bibr">10</xref>]).</title>
<p><italic>Let</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_057"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">f</mml:mi>
<mml:mo>∈</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$f\in \mathcal{F}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> <italic>have</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_058"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$q=0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula><italic>. Then</italic>
<disp-formula id="j_vmsta314_eq_012">
<label>(2.10)</label><alternatives><mml:math display="block">
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">f</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfenced separators="" open="{" close="">
<mml:mtable columnalign="left left" columnspacing="0pt">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
<mml:mo fence="true" stretchy="true" maxsize="12.09pt" minsize="12.09pt">(</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">pc</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo fence="true" stretchy="true" maxsize="12.09pt" minsize="12.09pt">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mspace width="10.0pt"/>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo>≤</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mspace width="10.0pt"/>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">.</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:math><tex-math><![CDATA[\[S(f)=\left\{\begin{array}{l@{\hskip0pt}l}\displaystyle \frac{1}{2}\Bigl({(1-\mathit{pc})^{2}}+(1-{p^{2}}){c^{2}}\Bigr),\hspace{10.0pt}& c\le p,\\ {} \displaystyle \frac{1}{2}(1-{p^{2}}),\hspace{10.0pt}& c\ge p.\end{array}\right.\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula>
</p></statement></p>
<p>These two propositions cover the boundary cases <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_059"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mspace width="2.5pt"/>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>≤</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo>≤</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$p=0,\hspace{2.5pt}0\le q\le 1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_060"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$q=0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> of the family (<xref rid="j_vmsta314_eq_005">2.3</xref>); the case in which both slopes are nonzero is covered by neither, and it is the subject of this paper.</p>
</sec>
<sec id="j_vmsta314_s_006">
<label>2.4</label>
<title>Main classification and boundary results</title>
<p>We now state the complete classification of the variational problem (<xref rid="j_vmsta314_eq_008">2.6</xref>) for a general continuous two-slope map. A minimizing path belongs to one of two classes according to whether it has a vertex at the breakpoint <italic>c</italic>: a path that hits <italic>c</italic> has a cost <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_061"><alternatives><mml:math><mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo largeop="false" movablelimits="false">ˆ</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mover></mml:math><tex-math><![CDATA[$\hat{S}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, and a path with no internal vertex at <italic>c</italic> has a cost <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_062"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${S_{m}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, and the theorem compares the two. We record these values and the parameters that govern them. Set
<disp-formula id="j_vmsta314_eq_013">
<label>(2.11)</label><alternatives><mml:math display="block">
<mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mspace width="20.0pt"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mspace width="20.0pt"/>
<mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="italic">.</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[\[\Delta :=1-q+c(q-p),\hspace{20.0pt}{c_{0}}:=\frac{p+q}{1+q},\hspace{20.0pt}\lambda :=\frac{{q^{2}}-{p^{2}}}{1-{p^{2}}}.\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula>
</p>
<p>For <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_063"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>∈</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[$m\in {\mathbb{Z}_{\ge 0}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, the stationary calculation for paths with no internal vertex at <italic>c</italic> gives the limiting algebraic quantities
<disp-formula id="j_vmsta314_eq_014">
<label>(2.12)</label><alternatives><mml:math display="block">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo fence="true" stretchy="true" maxsize="12.09pt" minsize="12.09pt">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo fence="true" stretchy="true" maxsize="12.09pt" minsize="12.09pt">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo fence="true" stretchy="true" maxsize="12.09pt" minsize="12.09pt">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo fence="true" stretchy="true" maxsize="12.09pt" minsize="12.09pt">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mspace width="20.0pt"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mspace width="1.67pt"/>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo fence="true" stretchy="true" maxsize="12.09pt" minsize="12.09pt">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo fence="true" stretchy="true" maxsize="12.09pt" minsize="12.09pt">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[\[{S_{m}}:=\frac{(1+q){\Bigl(\Delta -c(q-p){q^{m}}\Bigr)^{2}}}{2(1-q)\Bigl(1-\lambda {q^{2m}}\Bigr)},\hspace{20.0pt}{Y_{m}}:=\frac{(1+q)\hspace{1.67pt}{q^{m}}\Bigl(\Delta -c(q-p){q^{m}}\Bigr)}{1-\lambda {q^{2m}}},\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula>
with <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_064"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[${S_{0}}=(1-{p^{2}})/2$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_065"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[${Y_{0}}=1-{p^{2}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. An index satisfies the limiting feasibility condition if <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_066"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$c(1-{p^{2}})\lt {Y_{m}}\lt c(1-{p^{2}})/p$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, and we write <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_067"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="script">M</mml:mi>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">{</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>∈</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">}</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$\mathcal{M}:=\{m\in {\mathbb{Z}_{\ge 0}}:c(1-{p^{2}})\lt {Y_{m}}\lt c(1-{p^{2}})/p\}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> for this limiting feasibility set; the full nondecreasing-path admissibility of the indices used in the theorem is established later. We also introduce the real number <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_068"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>log</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo fence="true" stretchy="true" maxsize="12.09pt" minsize="12.09pt">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo fence="true" stretchy="true" maxsize="12.09pt" minsize="12.09pt">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[${m_{0}}:={\log _{q}}\Bigl(c(1-{p^{2}})/((p+q)\Delta )\Bigr)$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and, for <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_069"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$n\ge 1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, the breakpoint values
<disp-formula id="j_vmsta314_eq_015">
<label>(2.13)</label><alternatives><mml:math display="block">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo largeop="true" movablelimits="false">ˆ</mml:mo></mml:mstyle>
</mml:mrow>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo fence="true" stretchy="true" maxsize="12.09pt" minsize="12.09pt">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo fence="true" stretchy="true" maxsize="12.09pt" minsize="12.09pt">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo fence="true" stretchy="true" maxsize="12.09pt" minsize="12.09pt">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo fence="true" stretchy="true" maxsize="12.09pt" minsize="12.09pt">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[\[{\hat{S}_{n}}:=\frac{1-{p^{2}}}{2}{c^{2}}+\frac{(1+q){\Bigl(\Delta -c(1-p){q^{n}}\Bigr)^{2}}}{2(1-q)\Bigl(1-{q^{2n}}\Bigr)},\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula> 
and, as proved in Section <xref rid="j_vmsta314_s_008">4</xref>, the actual infimum over paths that hit the breakpoint is
<disp-formula id="j_vmsta314_eq_016">
<label>(2.14)</label><alternatives><mml:math display="block"><mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo largeop="true" movablelimits="false">ˆ</mml:mo></mml:mstyle>
</mml:mrow>
</mml:mover>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo>min</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">{</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo largeop="true" movablelimits="false">ˆ</mml:mo></mml:mstyle>
</mml:mrow>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>∗</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo largeop="true" movablelimits="false">ˆ</mml:mo></mml:mstyle>
</mml:mrow>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>∗</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">}</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mspace width="20.0pt"/>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>∗</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo>max</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo fence="true" stretchy="true">{</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo fence="true" stretchy="true">⌊</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>log</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo fence="true" stretchy="true">⌋</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo fence="true" stretchy="true">}</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="italic">.</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[\[\hat{S}:=\min \{{\hat{S}_{{n^{\ast }}}},{\hat{S}_{{n^{\ast }}+1}}\},\hspace{20.0pt}{n^{\ast }}:=\max \left\{1,\left\lfloor {\log _{q}}\frac{c(1-p)}{\Delta }\right\rfloor \right\}.\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula>
The following is our main result.</p>
<p><statement id="j_vmsta314_stat_004"><label>Theorem 2.4.</label>
<p><italic>Assume</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_070"><alternatives><mml:math>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$0\lt p\lt 1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula><italic>,</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_071"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$q\gt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula><italic>,</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_072"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo>≠</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$q\ne p,1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula><italic>, and</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_073"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$\Delta \gt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula><italic>. Then</italic>
<disp-formula id="j_vmsta314_eq_017">
<alternatives><mml:math display="block">
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">f</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfenced separators="" open="{" close="">
<mml:mtable columnalign="left left" columnspacing="0pt">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>∗</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mspace width="10.0pt"/>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mspace width="2.5pt"/>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>∗</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mspace width="10.0pt"/>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mspace width="2.5pt"/>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mspace width="2.5pt"/>
<mml:mi mathvariant="script">M</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">{</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>∗</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">}</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo largeop="false" movablelimits="false">ˆ</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mover>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mspace width="10.0pt"/>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mspace width="2.5pt"/>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mspace width="2.5pt"/>
<mml:mi mathvariant="script">M</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">∅</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mspace width="10.0pt"/>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">.</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:math><tex-math><![CDATA[\[S(f)=\left\{\begin{array}{l@{\hskip0pt}l}{S_{{m^{\ast }}}},\hspace{10.0pt}& q\gt p,\hspace{2.5pt}c\lt {c_{0}},\\ {} {S_{{m^{\ast }}}},\hspace{10.0pt}& q\lt p,\hspace{2.5pt}c\lt {c_{0}},\hspace{2.5pt}\mathcal{M}=\{{m^{\ast }}\},\\ {} \hat{S},\hspace{10.0pt}& q\lt p,\hspace{2.5pt}c\lt {c_{0}},\hspace{2.5pt}\mathcal{M}=\mathrm{\varnothing },\\ {} (1-{p^{2}})/2,\hspace{10.0pt}& c\ge {c_{0}}.\end{array}\right.\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula>
<italic>Here</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_074"><alternatives><mml:math>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>∗</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>∈</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">{</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">⌊</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">⌋</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">⌈</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">⌉</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">}</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[${m^{\ast }}\in \{\lfloor {m_{0}}\rfloor ,\lceil {m_{0}}\rceil \}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula><italic>: when</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_075"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$q\gt p$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> <italic>it is whichever of the two gives the smaller value of</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_076"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${S_{m}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula><italic>, and when</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_077"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$q\lt p$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> <italic>it is whichever of the two is feasible—at most one is—so that</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_078"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="script">M</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">{</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>∗</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">}</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$\mathcal{M}=\{{m^{\ast }}\}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> <italic>if such an index exists and</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_079"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="script">M</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">∅</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$\mathcal{M}=\mathrm{\varnothing }$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> <italic>otherwise. None of the displayed values of</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_080"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">f</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$S(f)$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> <italic>is attained at a finite horizon.</italic></p></statement>
<fig id="j_vmsta314_fig_002" position="float">
<label>Fig. 2</label>
<caption>
<p>The classification of Theorem <xref rid="j_vmsta314_stat_004">2.4</xref> in the <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_081"><alternatives><mml:math>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$(c,q)$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>-plane at a fixed first slope <italic>p</italic> (here <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_082"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">.</mml:mi>
<mml:mn>7</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$p=0.7$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>), computed exactly from the closed forms for <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_083"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${S_{m}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_084"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${Y_{m}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, and <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_085"><alternatives><mml:math><mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo largeop="false" movablelimits="false">ˆ</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mover></mml:math><tex-math><![CDATA[$\hat{S}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. Each colour marks which value <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_086"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">f</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$S(f)$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> takes: the interior stationary value <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_087"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>∗</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${S_{{m^{\ast }}}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, the breakpoint value <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_088"><alternatives><mml:math><mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo largeop="false" movablelimits="false">ˆ</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mover></mml:math><tex-math><![CDATA[$\hat{S}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, the linear value <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_089"><alternatives><mml:math>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$(1-{p^{2}})/2$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> (arising for <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_090"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[$c\ge {c_{0}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>), and the excluded area <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_091"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi>
<mml:mo>≤</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$\Delta \le 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula></p>
</caption>
<graphic xlink:href="vmsta314_g002.jpg"><alt-text>Phase diagram for p=0.7 showing blue and orange cost regions, alternating bands, a green linear-cost region, and a gray excluded region.</alt-text></graphic>
</fig>
</p>
<p>The cases <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_092"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$q=p$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_093"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$q=0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, and <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_094"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo>≤</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$p=0,q\le 1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> were described above through the results of Klebaner–Liptser and Högnäs–Jung. For completeness, we state here the three remaining boundary results proved in this paper.</p>
<p><statement id="j_vmsta314_stat_005"><label>Proposition 2.5.</label>
<p><italic>Assume</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_095"><alternatives><mml:math>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$0\lt p\lt 1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula><italic>,</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_096"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$q=1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula><italic>, and</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_097"><alternatives><mml:math>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$0\lt c\lt 1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula><italic>, and put</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_098"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">d</mml:mi>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$d:=c(1-p)$]]></tex-math></alternatives></inline-formula><italic>,</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_099"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">a</mml:mi>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$a:=1/(1-{p^{2}})$]]></tex-math></alternatives></inline-formula><italic>. If</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_100"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$c\ge (1+p)/2$]]></tex-math></alternatives></inline-formula><italic>, then</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_101"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">f</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$S(f)=(1-{p^{2}})/2$]]></tex-math></alternatives></inline-formula><italic>. If</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_102"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$c\lt (1+p)/2$]]></tex-math></alternatives></inline-formula><italic>, then</italic>
<disp-formula id="j_vmsta314_eq_018">
<alternatives><mml:math display="block">
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">f</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>min</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>∈</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">dm</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">a</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[\[S(f)=\min \limits_{m\in {\mathbb{Z}_{\ge 0}}}\frac{{(1+\mathit{dm})^{2}}}{2(m+a)},\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula>
<italic>the minimum being attained at one of the two integers adjacent to</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_103"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">d</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">a</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[${m_{1}}:=1/d-2a$]]></tex-math></alternatives></inline-formula><italic>. This value is not attained at any finite horizon.</italic></p></statement></p>
<p><statement id="j_vmsta314_stat_006"><label>Proposition 2.6.</label>
<p><italic>Assume</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_104"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$p=0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula><italic>,</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_105"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$q\gt 1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula><italic>, and</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_106"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">cq</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$\Delta =1-q+\mathit{cq}\gt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula><italic>. Then, with</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_107"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo>max</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">{</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">⌊</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>log</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">⌋</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">}</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[${n_{0}}:=\max \{1,\lfloor {\log _{q}}(c/\Delta )\rfloor \}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula><italic>,</italic>
<disp-formula id="j_vmsta314_eq_019">
<alternatives><mml:math display="block">
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">f</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>min</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
<mml:mo>∈</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">{</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">}</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[\[S(f)=\min \limits_{n\in \{{n_{0}},{n_{0}}+1\}}\frac{(1+q){(\Delta -c{q^{n}})^{2}}}{2(1-q)(1-{q^{2n}})},\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula>
<italic>and the minimum is attained at a finite horizon.</italic></p></statement></p>
<p><statement id="j_vmsta314_stat_007"><label>Proposition 2.7.</label>
<p><italic>Assume</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_108"><alternatives><mml:math>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>≤</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$0\le p\lt 1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula><italic>,</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_109"><alternatives><mml:math>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$0\lt c\lt 1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula><italic>, and</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_110"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$\Delta =0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula><italic>, so that</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_111"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">pc</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$q=(1-\mathit{pc})/(1-c)\gt 1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula><italic>. Then</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_112"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[$c\lt {c_{0}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> <italic>and</italic>
<disp-formula id="j_vmsta314_eq_020">
<alternatives><mml:math display="block">
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">f</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>lim</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>→</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo mathvariant="italic">.</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[\[S(f)=\lim \limits_{m\to \mathrm{\infty }}{S_{m}}=\frac{(1-{p^{2}})({q^{2}}-1)}{2({q^{2}}-{p^{2}})}.\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula>
<italic>This value is not attained at a finite horizon. In particular, for</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_113"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$p=0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula><italic>,</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_114"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">f</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$S(f)=c-{c^{2}}/2$]]></tex-math></alternatives></inline-formula><italic>.</italic></p></statement></p>
<p><italic>Proof architecture.</italic> Every admissible path belongs to exactly one of two classes: (I) at least one vertex satisfies <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_115"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[${y_{j}}=c$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>; (II) every internal vertex satisfies <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_116"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>≠</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[${y_{j}}\ne c$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. These cases require different arguments. In Case I, fixing a vertex at <italic>c</italic> splits the action into two independent minimizations; we therefore analyze this case first and denote its optimal value by <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_117"><alternatives><mml:math><mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo largeop="false" movablelimits="false">ˆ</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mover></mml:math><tex-math><![CDATA[$\hat{S}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. In Case II, there is a unique index <italic>k</italic> with <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_118"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${y_{k}}\lt c\lt {y_{k+1}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>; we first compute the stationary solution of the quadratic equations, and only afterwards verify the breakpoint inequalities, monotonicity, and comparison with Case I. The final theorem compares the best feasible limiting value with <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_119"><alternatives><mml:math><mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo largeop="false" movablelimits="false">ˆ</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mover></mml:math><tex-math><![CDATA[$\hat{S}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. Both the decomposition of Case I and the boundary analyses reduce to a single affine minimization, isolated as the one-segment minimization of Section <xref rid="j_vmsta314_s_007">3</xref>; the structural results needed for the Case II comparison are stated in Section <xref rid="j_vmsta314_s_012">6</xref> and proved in Section <xref rid="j_vmsta314_s_015">9</xref>.</p>
</sec>
</sec>
<sec id="j_vmsta314_s_007">
<label>3</label>
<title>A one-segment minimization</title>
<p>The analysis of Case I and of the boundary regimes repeatedly reduces to minimizing the action over a single affine piece, and we isolate that minimization here. Let <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_120"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">a</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">b</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$a\lt b$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_121"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">g</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">αx</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$g(x)=\mathit{\alpha x}+\gamma $]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, where <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_122"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$\alpha \gt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_123"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi>
<mml:mo>≠</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$\alpha \ne 1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>; for <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_124"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$N\ge 1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, denote the constrained and unconstrained minima, respectively, by
<disp-formula id="j_vmsta314_eq_021">
<alternatives><mml:math display="block">
<mml:mtable columnspacing="0pt" columnalign="right left">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">a</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">b</mml:mi>
<mml:mo>;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">g</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mrow>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>min</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">a</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>≤</mml:mo>
<mml:mo>⋯</mml:mo>
<mml:mo>≤</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:munderover>
<mml:mrow>
<mml:mo largeop="true" movablelimits="false">∑</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">i</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo fence="true" stretchy="true" maxsize="12.09pt" minsize="12.09pt">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">g</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">i</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo fence="true" stretchy="true" maxsize="12.09pt" minsize="12.09pt">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">a</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">b</mml:mi>
<mml:mo>;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">g</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mrow>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>min</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtable columnalign="center">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mstyle scriptlevel="1">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">a</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mspace width="2.5pt"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">b</mml:mi></mml:mstyle>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mstyle scriptlevel="1">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>…</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>∈</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi></mml:mstyle>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:munderover>
<mml:mrow>
<mml:mo largeop="true" movablelimits="false">∑</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">i</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo fence="true" stretchy="true" maxsize="12.09pt" minsize="12.09pt">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">g</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">i</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo fence="true" stretchy="true" maxsize="12.09pt" minsize="12.09pt">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="italic">.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable></mml:math><tex-math><![CDATA[\[\begin{array}{r@{\hskip0pt}l}\displaystyle {I_{N}}(a,b;g)& \displaystyle :=\min \limits_{a={x_{0}}\le \cdots \le {x_{N}}=b}\frac{1}{2}{\sum \limits_{i=1}^{N}}{\Bigl({x_{i}}-g({x_{i-1}})\Bigr)^{2}},\\ {} \displaystyle {J_{N}}(a,b;g)& \displaystyle :=\min \limits_{\substack{{x_{0}}=a,\hspace{2.5pt}{x_{N}}=b\\ {} {x_{1}},\dots ,{x_{N-1}}\in \mathbb{R}}}\frac{1}{2}{\sum \limits_{i=1}^{N}}{\Bigl({x_{i}}-g({x_{i-1}})\Bigr)^{2}}.\end{array}\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula>
</p>
<p><statement id="j_vmsta314_stat_008"><label>Lemma 3.1.</label>
<p><italic>Suppose that</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_125"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">g</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>≤</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$g(x)\le x$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> <italic>on</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_126"><alternatives><mml:math>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">[</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">a</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">b</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">]</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$[a,b]$]]></tex-math></alternatives></inline-formula><italic>, and set</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_127"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">a</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">g</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">a</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[${d_{a}}:=a-g(a)$]]></tex-math></alternatives></inline-formula><italic>,</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_128"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">b</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">g</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">b</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[${d_{b}}:=b-g(b)$]]></tex-math></alternatives></inline-formula><italic>. Then, for every</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_129"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$N\ge 1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula><italic>, the unrestricted minimum is</italic>
<disp-formula id="j_vmsta314_eq_022">
<label>(3.1)</label><alternatives><mml:math display="block">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">a</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">b</mml:mi>
<mml:mo>;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">g</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo fence="true" stretchy="true" maxsize="12.09pt" minsize="12.09pt">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo fence="true" stretchy="true" maxsize="12.09pt" minsize="12.09pt">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="italic">.</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[\[{J_{N}}(a,b;g)=\frac{1-{\alpha ^{2}}}{2{(1-\alpha )^{2}}}\frac{{\Bigl({d_{b}}-{d_{a}}{\alpha ^{N}}\Bigr)^{2}}}{1-{\alpha ^{2N}}}.\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula>
<italic>If</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_130"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[${d_{a}}=0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula><italic>, then necessarily</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_131"><alternatives><mml:math>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$0\lt \alpha \lt 1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula><italic>, and</italic>
<disp-formula id="j_vmsta314_eq_023">
<label>(3.2)</label><alternatives><mml:math display="block">
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>inf</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">a</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">b</mml:mi>
<mml:mo>;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">g</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">b</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo mathvariant="italic">.</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[\[\inf \limits_{N\ge 1}{I_{N}}(a,b;g)=\frac{1+\alpha }{2(1-\alpha )}{d_{b}^{2}}.\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula> 
<italic>If</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_132"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[${d_{b}}=0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula><italic>, then necessarily</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_133"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$\alpha \gt 1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula><italic>, and</italic>
<disp-formula id="j_vmsta314_eq_024">
<label>(3.3)</label><alternatives><mml:math display="block">
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>inf</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">a</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">b</mml:mi>
<mml:mo>;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">g</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo mathvariant="italic">.</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[\[\inf \limits_{N\ge 1}{I_{N}}(a,b;g)=\frac{1+\alpha }{2(\alpha -1)}{d_{a}^{2}}.\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula>
<italic>Finally, if</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_134"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>≠</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[${d_{a}}{d_{b}}\ne 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula><italic>, define</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_135"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo>max</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">{</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">⌊</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>log</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">⌋</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">}</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[${N_{0}}:=\max \{1,\lfloor {\log _{\alpha }}({d_{a}}/{d_{b}})\rfloor \}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula><italic>. Then</italic>
<disp-formula id="j_vmsta314_eq_025">
<label>(3.4)</label><alternatives><mml:math display="block">
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>inf</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">a</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">b</mml:mi>
<mml:mo>;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">g</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo>min</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">{</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">a</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">b</mml:mi>
<mml:mo>;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">g</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">a</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">b</mml:mi>
<mml:mo>;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">g</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">}</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">.</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[\[\inf \limits_{N\ge 1}{I_{N}}(a,b;g)=\min \{{J_{{N_{0}}}}(a,b;g),{J_{{N_{0}}+1}}(a,b;g)\}.\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula>
</p></statement></p>
<p><statement id="j_vmsta314_stat_009"><label>Proof.</label>
<p>Fix <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_136"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$N\ge 1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and write <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_137"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">g</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">i</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">i</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[${e_{i}}:={x_{i}}-g({x_{i-1}})={x_{i}}-\alpha {x_{i-1}}-\gamma $]]></tex-math></alternatives></inline-formula> for <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_138"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">i</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>…</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$i=1,\dots ,N$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. Multiplying by <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_139"><alternatives><mml:math>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[${\alpha ^{N-i}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and summing gives the telescoping identity
<disp-formula id="j_vmsta314_eq_026">
<label>(3.5)</label><alternatives><mml:math display="block">
<mml:munderover>
<mml:mrow>
<mml:mo largeop="true" movablelimits="false">∑</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">i</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">b</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi mathvariant="italic">a</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi>
<mml:munderover>
<mml:mrow>
<mml:mo largeop="true" movablelimits="false">∑</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">r</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[\[{\sum \limits_{i=1}^{N}}{\alpha ^{N-i}}{e_{i}}=b-{\alpha ^{N}}a-\gamma {\sum \limits_{r=0}^{N-1}}{\alpha ^{r}}=\frac{{d_{b}}-{d_{a}}{\alpha ^{N}}}{1-\alpha },\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula>
so that, by the Cauchy–Schwarz inequality,
<disp-formula id="j_vmsta314_eq_027">
<alternatives><mml:math display="block">
<mml:munderover>
<mml:mrow>
<mml:mo largeop="true" movablelimits="false">∑</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">i</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo fence="true" stretchy="true" maxsize="12.09pt" minsize="12.09pt">(</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo largeop="true" movablelimits="false">∑</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">i</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo fence="true" stretchy="true" maxsize="12.09pt" minsize="12.09pt">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo largeop="true" movablelimits="false">∑</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">i</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">i</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo fence="true" stretchy="true" maxsize="12.09pt" minsize="12.09pt">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo fence="true" stretchy="true" maxsize="12.09pt" minsize="12.09pt">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[\[{\sum \limits_{i=1}^{N}}{e_{i}^{2}}\ge \frac{{\Bigl({\sum _{i=1}^{N}}{\alpha ^{N-i}}{e_{i}}\Bigr)^{2}}}{{\sum _{i=1}^{N}}{\alpha ^{2(N-i)}}}=\frac{1-{\alpha ^{2}}}{{(1-\alpha )^{2}}}\frac{{\Bigl({d_{b}}-{d_{a}}{\alpha ^{N}}\Bigr)^{2}}}{1-{\alpha ^{2N}}},\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula>
with equality exactly when the error vector is proportional to <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_140"><alternatives><mml:math>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>…</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$({\alpha ^{N-1}},\dots ,\alpha ,1)$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. The endpoint identity (<xref rid="j_vmsta314_eq_026">3.5</xref>) fixes the proportionality constant, so the unrestricted minimizer satisfies
<disp-formula id="j_vmsta314_eq_028">
<label>(3.6)</label><alternatives><mml:math display="block">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">g</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">i</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mspace width="10.0pt"/>
<mml:mi mathvariant="italic">i</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>…</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mspace width="20.0pt"/>
<mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[\[{e_{i}}={x_{i}}-g({x_{i-1}})=\beta {\alpha ^{N-i}},\hspace{10.0pt}i=1,\dots ,N,\hspace{20.0pt}\beta =\frac{1-{\alpha ^{2}}}{1-\alpha }\frac{{d_{b}}-{d_{a}}{\alpha ^{N}}}{1-{\alpha ^{2N}}},\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula>
and it is unique, the map from the intermediate vertices to the error vector being invertible. Halving the bound proves (<xref rid="j_vmsta314_eq_022">3.1</xref>).</p>
<p>We next determine when this minimizer is nondecreasing. Since <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_141"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">g</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>≤</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$g(x)\le x$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> on <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_142"><alternatives><mml:math>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">[</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">a</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">b</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">]</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$[a,b]$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, the endpoint gaps <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_143"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${d_{a}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_144"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${d_{b}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> are nonnegative, and
<disp-formula id="j_vmsta314_eq_029">
<label>(3.7)</label><alternatives><mml:math display="block">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">b</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">a</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>;</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[\[{d_{b}}-{d_{a}}=(1-\alpha )(b-a);\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula>
hence <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_145"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[${d_{a}}=0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> forces <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_146"><alternatives><mml:math>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$0\lt \alpha \lt 1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, and <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_147"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[${d_{b}}=0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> forces <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_148"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$\alpha \gt 1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. Put <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_149"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[${L_{N}}:=({d_{b}}-{d_{a}}{\alpha ^{N}})/(1-{\alpha ^{2N}})$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. Iterating (<xref rid="j_vmsta314_eq_028">3.6</xref>) from <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_150"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">a</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[${x_{0}}=a$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and subtracting successive coordinates,
<disp-formula id="j_vmsta314_eq_030">
<label>(3.8)</label><alternatives><mml:math display="block">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">i</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">i</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo fence="true" stretchy="true" maxsize="12.09pt" minsize="12.09pt">(</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">i</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo fence="true" stretchy="true" maxsize="12.09pt" minsize="12.09pt">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mspace width="20.0pt"/>
<mml:mi mathvariant="italic">i</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>…</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">.</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[\[{x_{i}}-{x_{i-1}}=-{d_{a}}{\alpha ^{i-1}}+{L_{N}}\Bigl({\alpha ^{N-i}}+{\alpha ^{N+i-1}}\Bigr),\hspace{20.0pt}i=1,\dots ,N.\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula>
If <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_151"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[${d_{a}}=0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, then <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_152"><alternatives><mml:math>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$0\lt \alpha \lt 1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_153"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[${L_{N}}={d_{b}}/(1-{\alpha ^{2N}})\gt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, so every increment is positive. If <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_154"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[${d_{b}}=0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, then <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_155"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$\alpha \gt 1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_156"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[${L_{N}}={d_{a}}{\alpha ^{N}}/({\alpha ^{2N}}-1)\gt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>; after division by <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_157"><alternatives><mml:math>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">i</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[${\alpha ^{i-1}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> the right-hand side of (<xref rid="j_vmsta314_eq_030">3.8</xref>) decreases with <italic>i</italic>, and its last value <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_158"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[${x_{N}}-{x_{N-1}}={d_{a}}{\alpha ^{N-1}}(1+\alpha )/({\alpha ^{2N}}-1)$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> is positive. Thus in both endpoint cases the minimizer is strictly increasing.</p>
<p>Assume now <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_159"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[${d_{a}}{d_{b}}\gt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. If <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_160"><alternatives><mml:math>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$0\lt \alpha \lt 1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, the normalized increments <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_161"><alternatives><mml:math>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">i</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">i</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[$({x_{i}}-{x_{i-1}})/{\alpha ^{i-1}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> increase with <italic>i</italic>, so only <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_162"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">i</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$i=1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> matters: substituting <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_163"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${L_{N}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> into <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_164"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[${x_{1}}-{x_{0}}=-{d_{a}}+{L_{N}}({\alpha ^{N-1}}+{\alpha ^{N}})\ge 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and clearing the positive denominator <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_165"><alternatives><mml:math>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[$1-{\alpha ^{2N}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, the condition becomes
<disp-formula id="j_vmsta314_eq_031">
<label>(3.9)</label><alternatives><mml:math display="block">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo fence="true" stretchy="true" maxsize="12.09pt" minsize="12.09pt">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo fence="true" stretchy="true" maxsize="12.09pt" minsize="12.09pt">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">.</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[\[{d_{b}}{\alpha ^{N-1}}(1+\alpha )\ge {d_{a}}\Bigl(1+{\alpha ^{2N-1}}\Bigr).\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula> 
If <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_166"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$\alpha \gt 1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, the same normalized increments decrease, so <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_167"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">i</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$i=N$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> is decisive, and <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_168"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[${x_{N}}-{x_{N-1}}=-{d_{a}}{\alpha ^{N-1}}+{L_{N}}(1+{\alpha ^{2N-1}})\ge 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> with <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_169"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[${L_{N}}=({d_{a}}{\alpha ^{N}}-{d_{b}})/({\alpha ^{2N}}-1)$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> becomes
<disp-formula id="j_vmsta314_eq_032">
<label>(3.10)</label><alternatives><mml:math display="block">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo fence="true" stretchy="true" maxsize="12.09pt" minsize="12.09pt">(</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo fence="true" stretchy="true" maxsize="12.09pt" minsize="12.09pt">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">.</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[\[{d_{a}}(1+\alpha )\ge {d_{b}}\Bigl({\alpha ^{N}}+{\alpha ^{1-N}}\Bigr).\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula>
Thus, when <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_170"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[${d_{a}}{d_{b}}\gt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, the unrestricted minimizer is admissible for a given <italic>N</italic> precisely when the relevant one of (<xref rid="j_vmsta314_eq_031">3.9</xref>) and (<xref rid="j_vmsta314_eq_032">3.10</xref>) holds. Neither condition is automatic, and we do not check them yet: we first carry out the minimization over <italic>N</italic>, which singles out two candidate integers, and then return at the end of the proof to verify the appropriate condition at those two integers only.</p>
<p>We now minimize over <italic>N</italic>. If <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_171"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[${d_{a}}=0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, then (<xref rid="j_vmsta314_eq_022">3.1</xref>) reads <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_172"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">a</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">b</mml:mi>
<mml:mo>;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">g</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">b</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:math><tex-math><![CDATA[${J_{N}}(a,b;g)=\frac{1+\alpha }{2(1-\alpha )}\frac{{d_{b}^{2}}}{1-{\alpha ^{2N}}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, which decreases strictly to the value in (<xref rid="j_vmsta314_eq_023">3.2</xref>); if <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_173"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[${d_{b}}=0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, then <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_174"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$\alpha \gt 1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and
<disp-formula id="j_vmsta314_eq_033">
<alternatives><mml:math display="block">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">a</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">b</mml:mi>
<mml:mo>;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">g</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>↓</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo mathvariant="italic">.</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[\[{J_{N}}(a,b;g)=\frac{1+\alpha }{2(\alpha -1)}{d_{a}^{2}}\frac{{\alpha ^{2N}}}{{\alpha ^{2N}}-1}\downarrow \frac{1+\alpha }{2(\alpha -1)}{d_{a}^{2}}.\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula>
In both cases the unrestricted minimizer is nondecreasing for every <italic>N</italic>, so <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_175"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">a</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">b</mml:mi>
<mml:mo>;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">g</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">a</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">b</mml:mi>
<mml:mo>;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">g</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[${I_{N}}(a,b;g)={J_{N}}(a,b;g)$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>; this proves (<xref rid="j_vmsta314_eq_023">3.2</xref>) and (<xref rid="j_vmsta314_eq_024">3.3</xref>) together with the nonattainment statements.</p>
<p>Suppose finally that <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_176"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[${d_{a}}{d_{b}}\gt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. Extend the right-hand side of (<xref rid="j_vmsta314_eq_022">3.1</xref>) to real <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_177"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$x\gt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and set <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_178"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">z</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[$z={\alpha ^{x}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>; apart from its constant prefactor it becomes <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_179"><alternatives><mml:math>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi mathvariant="italic">z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[${({d_{b}}-{d_{a}}z)^{2}}/(1-{z^{2}})$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, with
<disp-formula id="j_vmsta314_eq_034">
<label>(3.11)</label><alternatives><mml:math display="block">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">dz</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi mathvariant="italic">z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi mathvariant="italic">z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi mathvariant="italic">z</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="italic">.</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[\[\frac{d}{\mathit{dz}}\frac{{({d_{b}}-{d_{a}}z)^{2}}}{1-{z^{2}}}=\frac{2({d_{b}}-{d_{a}}z)({d_{b}}z-{d_{a}})}{{(1-{z^{2}})^{2}}}.\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula>
For <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_180"><alternatives><mml:math>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$0\lt \alpha \lt 1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, (<xref rid="j_vmsta314_eq_029">3.7</xref>) gives <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_181"><alternatives><mml:math>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[$0\lt {d_{a}}\lt {d_{b}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, and <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_182"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">z</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[$z={d_{a}}/{d_{b}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> is the only critical point in the admissible range <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_183"><alternatives><mml:math>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">z</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$0\lt z\lt 1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>; for <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_184"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$\alpha \gt 1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> one has <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_185"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[${d_{a}}\gt {d_{b}}\gt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, and the same point is the only critical point in the admissible range <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_186"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">z</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$z\gt 1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. Taking into account the direction of <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_187"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">z</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[$z={\alpha ^{x}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and, for <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_188"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$\alpha \gt 1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, the sign of the prefactor in (<xref rid="j_vmsta314_eq_022">3.1</xref>), the real-variable cost is in both cases strictly decreasing before <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_189"><alternatives><mml:math>
<mml:mspace width="1.67pt"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>log</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$\hspace{1.67pt}{N_{\mathrm{r}}}={\log _{\alpha }}({d_{a}}/{d_{b}})$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and strictly increasing afterwards. Its integer minimum is therefore among <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_190"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${N_{0}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_191"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[${N_{0}}+1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, with <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_192"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${N_{0}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> as in Lemma <xref rid="j_vmsta314_stat_008">3.1</xref>; if <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_193"><alternatives><mml:math>
<mml:mspace width="1.67pt"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$\hspace{1.67pt}{N_{\mathrm{r}}}\lt 1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, it occurs at <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_194"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$N=1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>.</p>
<p>It remains to check the ordering constraint at these two integers. Let <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_195"><alternatives><mml:math>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$0\lt \alpha \lt 1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_196"><alternatives><mml:math>
<mml:mspace width="1.67pt"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$\hspace{1.67pt}{N_{\mathrm{r}}}\ge 1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, so that <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_197"><alternatives><mml:math>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>≤</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>≤</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[${\alpha ^{{N_{0}}+1}}\le {d_{a}}/{d_{b}}\le {\alpha ^{{N_{0}}}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. For <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_198"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[$N={N_{0}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>,
<disp-formula id="j_vmsta314_eq_035">
<alternatives><mml:math display="block">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo fence="true" stretchy="true" maxsize="12.09pt" minsize="12.09pt">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo fence="true" stretchy="true" maxsize="12.09pt" minsize="12.09pt">)</mml:mo>
<mml:mo>≤</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo fence="true" stretchy="true" maxsize="12.09pt" minsize="12.09pt">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo fence="true" stretchy="true" maxsize="12.09pt" minsize="12.09pt">)</mml:mo>
<mml:mo>≤</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[\[{d_{a}}\Bigl(1+{\alpha ^{2N-1}}\Bigr)\le {d_{b}}{\alpha ^{N}}\Bigl(1+{\alpha ^{2N-1}}\Bigr)\le {d_{b}}{\alpha ^{N-1}}(1+\alpha ),\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula>
while for <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_199"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$N={N_{0}}+1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> the same bound, written <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_200"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>≤</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[${d_{a}}/{d_{b}}\le {\alpha ^{N-1}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, gives <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_201"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>≤</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[${d_{a}}(1+{\alpha ^{2N-1}})\le {d_{b}}{\alpha ^{N-1}}(1+\alpha )$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> directly; thus (<xref rid="j_vmsta314_eq_031">3.9</xref>) holds at both. Let now <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_202"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$\alpha \gt 1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_203"><alternatives><mml:math>
<mml:mspace width="1.67pt"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$\hspace{1.67pt}{N_{\mathrm{r}}}\ge 1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, so that <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_204"><alternatives><mml:math>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>≤</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>≤</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[${\alpha ^{{N_{0}}}}\le {d_{a}}/{d_{b}}\le {\alpha ^{{N_{0}}+1}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. For <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_205"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[$N={N_{0}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> we get <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_206"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[${d_{a}}(1+\alpha )\ge {d_{b}}{\alpha ^{N}}(1+\alpha )\ge {d_{b}}({\alpha ^{N}}+{\alpha ^{1-N}})$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, and for <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_207"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$N={N_{0}}+1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, using <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_208"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[${d_{a}}/{d_{b}}\ge {\alpha ^{N-1}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_209"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[${d_{a}}(1+\alpha )\ge {d_{b}}{\alpha ^{N-1}}(1+\alpha )\ge {d_{b}}({\alpha ^{N}}+{\alpha ^{1-N}})$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>; thus (<xref rid="j_vmsta314_eq_032">3.10</xref>) holds at both. If <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_210"><alternatives><mml:math>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mspace width="1.67pt"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$0\lt \hspace{1.67pt}{N_{\mathrm{r}}}\lt 1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, the optimal one-step path has no internal vertex and is automatically nondecreasing.</p>
<p>Therefore an unrestricted minimizer realizing the integer minimum is admissible for the monotone problem, and since <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_211"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">a</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">b</mml:mi>
<mml:mo>;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">g</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>≤</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">a</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">b</mml:mi>
<mml:mo>;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">g</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[${J_{N}}(a,b;g)\le {I_{N}}(a,b;g)$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> for every <italic>N</italic>, this proves (<xref rid="j_vmsta314_eq_025">3.4</xref>). □</p></statement></p>
<p>We keep throughout the distinction just established: for fixed <italic>N</italic> and <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_212"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[${d_{a}}{d_{b}}\gt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, the unrestricted value (<xref rid="j_vmsta314_eq_022">3.1</xref>) need not equal the constrained value <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_213"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">a</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">b</mml:mi>
<mml:mo>;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">g</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[${I_{N}}(a,b;g)$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>; the two problems agree only after optimization over <italic>N</italic>, because at least one of the optimal adjacent integers is admissible.</p>
</sec>
<sec id="j_vmsta314_s_008">
<label>4</label>
<title>Case I: paths that hit the breakpoint</title>
<p>Assume throughout this section that <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_214"><alternatives><mml:math>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$0\lt p\lt 1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_215"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$q\gt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_216"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo>≠</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$q\ne 1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, and <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_217"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$\Delta \gt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. We compute the infimum over nondecreasing paths that hit the breakpoint <italic>c</italic>; fixing the breakpoint vertex separates the action into two affine one-segment problems.</p>
<p><statement id="j_vmsta314_stat_010"><label>Lemma 4.1.</label>
<p><italic>Fix</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_218"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$N\ge 2$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> <italic>and</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_219"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
<mml:mo>∈</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">{</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>…</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">}</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$j\in \{1,\dots ,N-1\}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula><italic>. Among paths satisfying</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_220"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[${y_{j}}=c$]]></tex-math></alternatives></inline-formula><italic>, the two parts of the action can be minimized independently:</italic>
<disp-formula id="j_vmsta314_eq_036">
<label>(4.1)</label><alternatives><mml:math display="block">
<mml:mtable columnspacing="0pt" columnalign="right left">
<mml:mtr>
<mml:mtd/>
<mml:mtd>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mrow>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>min</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtable columnalign="center">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mstyle scriptlevel="1">
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>≤</mml:mo>
<mml:mo>⋯</mml:mo>
<mml:mo>≤</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:mstyle>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mstyle scriptlevel="1">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi></mml:mstyle>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold">y</mml:mi>
<mml:mo>;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">f</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd/>
<mml:mtd>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mrow>
<mml:mspace width="10.0pt"/>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>min</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>≤</mml:mo>
<mml:mo>⋯</mml:mo>
<mml:mo>≤</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:munderover>
<mml:mrow>
<mml:mo largeop="true" movablelimits="false">∑</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">i</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">f</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">i</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>min</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>≤</mml:mo>
<mml:mo>⋯</mml:mo>
<mml:mo>≤</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:munderover>
<mml:mrow>
<mml:mo largeop="true" movablelimits="false">∑</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">i</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">f</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">i</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="italic">.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable></mml:math><tex-math><![CDATA[\[\begin{array}{r@{\hskip0pt}l}& \displaystyle \min \limits_{\substack{0={y_{0}}\le \cdots \le {y_{N}}=1\\ {} {y_{j}}=c}}{I_{N}}(\mathbf{y};f)\\ {} & \displaystyle \hspace{10.0pt}=\min \limits_{0={y_{0}}\le \cdots \le {y_{j}}=c}\frac{1}{2}{\sum \limits_{i=1}^{j}}{({y_{i}}-f({y_{i-1}}))^{2}}+\min \limits_{c={y_{j}}\le \cdots \le {y_{N}}=1}\frac{1}{2}{\sum \limits_{i=j+1}^{N}}{({y_{i}}-f({y_{i-1}}))^{2}}.\end{array}\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula>
</p></statement></p>
<p><statement id="j_vmsta314_stat_011"><label>Proof.</label>
<p>With <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_221"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[${y_{0}}=0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_222"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[${y_{j}}=c$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, and <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_223"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[${y_{N}}=1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> fixed, write <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_224"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>…</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo largeop="true" movablelimits="false">∑</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">i</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">f</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">i</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[${A_{j}}({y_{1}},\dots ,{y_{j-1}}):=\frac{1}{2}{\sum _{i=1}^{j}}{({y_{i}}-f({y_{i-1}}))^{2}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_225"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">B</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>…</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo largeop="true" movablelimits="false">∑</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">i</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">f</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">i</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[${B_{N-j}}({y_{j+1}},\dots ,{y_{N-1}}):=\frac{1}{2}{\sum _{i=j+1}^{N}}{({y_{i}}-f({y_{i-1}}))^{2}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. The variables occurring in <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_226"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${A_{j}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_227"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">B</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${B_{N-j}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> are disjoint, and every admissible full path with <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_228"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[${y_{j}}=c$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> satisfies <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_229"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold">y</mml:mi>
<mml:mo>;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">f</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">B</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${I_{N}}(\mathbf{y};f)={A_{j}}+{B_{N-j}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>; hence its action is at least <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_230"><alternatives><mml:math>
<mml:mo>min</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mo>min</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">B</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[$\min {A_{j}}+\min {B_{N-j}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. Conversely, the two admissible sets are compact and the two actions continuous, so minimizing left and right subpaths exist, and concatenating them at their common endpoint <italic>c</italic> gives an admissible full path of action exactly <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_231"><alternatives><mml:math>
<mml:mo>min</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mo>min</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">B</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[$\min {A_{j}}+\min {B_{N-j}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. □</p></statement></p>
<p>Denote by
<disp-formula id="j_vmsta314_eq_037">
<alternatives><mml:math display="block">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">f</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>inf</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtable columnalign="center">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mstyle scriptlevel="1">
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mspace width="2.5pt"/>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>≤</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi></mml:mstyle>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mstyle scriptlevel="1">
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>≤</mml:mo>
<mml:mo>⋯</mml:mo>
<mml:mo>≤</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mspace width="2.5pt"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi></mml:mstyle>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold">y</mml:mi>
<mml:mo>;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">f</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[\[{\mathcal{S}_{\mathrm{b}}}(f):=\inf \limits_{\substack{N\ge 2,\hspace{2.5pt}1\le j\lt N\\ {} 0={y_{0}}\le \cdots \le {y_{N}}=1,\hspace{2.5pt}{y_{j}}=c}}{I_{N}}(\mathbf{y};f)\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula>
the infimum over the class of paths that hit the breakpoint, put <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_232"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$n:=N-j$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, and set <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_233"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">px</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[${g_{p}}(x):=\mathit{px}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_234"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">qx</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[${g_{q}}(x):=\mathit{qx}+c(p-q)$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. Since the two positive lengths <italic>j</italic> and <italic>n</italic> vary independently, the decomposition lemma yields
<disp-formula id="j_vmsta314_eq_038">
<label>(4.2)</label><alternatives><mml:math display="block">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">f</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>inf</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo>;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>inf</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">.</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[\[{\mathcal{S}_{\mathrm{b}}}(f)=\inf \limits_{j\ge 1}{I_{j}}(0,c;{g_{p}})+\inf \limits_{n\ge 1}{I_{n}}(c,1;{g_{q}}).\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula>
For the left one-segment problem the endpoint gaps are <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_235"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[${d_{0}}=0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_236"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[${d_{c}}=c-{g_{p}}(c)=c(1-p)$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>; the fixed-<italic>j</italic> minimizer is increasing, and Lemma <xref rid="j_vmsta314_stat_008">3.1</xref> gives
<disp-formula id="j_vmsta314_eq_039">
<label>(4.3)</label><alternatives><mml:math display="block">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo>;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>↓</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="20.0pt"/>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
<mml:mo>→</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[\[{I_{j}}(0,c;{g_{p}})=\frac{1-{p^{2}}}{2(1-{p^{2j}})}{c^{2}}\downarrow \frac{1-{p^{2}}}{2}{c^{2}}\hspace{20.0pt}(j\to \mathrm{\infty }),\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula>
the limit being strict and not attained at a finite left-hand length. For the right one-segment problem the endpoint gaps <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_237"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[${d_{c}}=c-{g_{q}}(c)=c(1-p)$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_238"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[${d_{1}}=1-{g_{q}}(1)=\Delta $]]></tex-math></alternatives></inline-formula> are both positive, and the unconstrained <italic>n</italic>-step value from Lemma <xref rid="j_vmsta314_stat_008">3.1</xref> is
<disp-formula id="j_vmsta314_eq_040">
<label>(4.4)</label><alternatives><mml:math display="block">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo fence="true" stretchy="true" maxsize="12.09pt" minsize="12.09pt">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo fence="true" stretchy="true" maxsize="12.09pt" minsize="12.09pt">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo mathvariant="italic">.</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[\[{J_{n}}(c,1;{g_{q}})=\frac{(1+q){\Bigl(\Delta -c(1-p){q^{n}}\Bigr)^{2}}}{2(1-q)(1-{q^{2n}})}.\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula>
We compare with the sequence <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_239"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo largeop="false" movablelimits="false">ˆ</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${\hat{S}_{n}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> of (<xref rid="j_vmsta314_eq_015">2.13</xref>), whose second term is, at an arbitrary fixed <italic>n</italic>, an unrestricted algebraic value whose stationary path need not be nondecreasing; thus <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_240"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo largeop="false" movablelimits="false">ˆ</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${\hat{S}_{n}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> is not to be read as an admissible path cost for every <italic>n</italic>. The minimizer of the real-variable extension of the right one-segment problem is <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_241"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>log</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo fence="true" stretchy="true" maxsize="12.09pt" minsize="12.09pt">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi>
<mml:mo fence="true" stretchy="true" maxsize="12.09pt" minsize="12.09pt">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[${x_{\mathrm{b}}}:={\log _{q}}\Bigl(c(1-p)/\Delta \Bigr)\gt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, and by Lemma <xref rid="j_vmsta314_stat_008">3.1</xref> the constrained right one-segment minimum is attained at one of the two adjacent integer lengths <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_242"><alternatives><mml:math>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>∗</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[${n^{\ast }}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_243"><alternatives><mml:math>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>∗</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[${n^{\ast }}+1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> of (<xref rid="j_vmsta314_eq_016">2.14</xref>), at which the unrestricted minimizers are themselves nondecreasing. Consequently the algebraic values in (<xref rid="j_vmsta314_eq_015">2.13</xref>) are attained by admissible paths hitting the breakpoint for the two lengths that determine the minimum.</p>
<p><statement id="j_vmsta314_stat_012"><label>Proposition 4.2.</label>
<p><italic>The infimum over all paths that hit the breakpoint is</italic>
<disp-formula id="j_vmsta314_eq_041">
<label>(4.5)</label><alternatives><mml:math display="block">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">f</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo><mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo largeop="true" movablelimits="false">ˆ</mml:mo></mml:mstyle>
</mml:mrow>
</mml:mover>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[\[{\mathcal{S}_{\mathrm{b}}}(f)=\hat{S},\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula>
<italic>with</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_244"><alternatives><mml:math><mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo largeop="false" movablelimits="false">ˆ</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mover></mml:math><tex-math><![CDATA[$\hat{S}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> <italic>as in</italic> (<xref rid="j_vmsta314_eq_016">2.14</xref>)<italic>, and it is not attained by any finite path.</italic></p></statement></p>
<p><statement id="j_vmsta314_stat_013"><label>Proof.</label>
<p>Combining (<xref rid="j_vmsta314_eq_038">4.2</xref>) with (<xref rid="j_vmsta314_eq_039">4.3</xref>) and the integer-minimization part of Lemma <xref rid="j_vmsta314_stat_008">3.1</xref>,
<disp-formula id="j_vmsta314_eq_042">
<alternatives><mml:math display="block">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">f</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mo>min</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">{</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>∗</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>∗</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">}</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo>min</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">{</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo largeop="true" movablelimits="false">ˆ</mml:mo></mml:mstyle>
</mml:mrow>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>∗</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo largeop="true" movablelimits="false">ˆ</mml:mo></mml:mstyle>
</mml:mrow>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>∗</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">}</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[\[{\mathcal{S}_{\mathrm{b}}}(f)=\frac{1-{p^{2}}}{2}{c^{2}}+\min \{{J_{{n^{\ast }}}}(c,1;{g_{q}}),{J_{{n^{\ast }}+1}}(c,1;{g_{q}})\}=\min \{{\hat{S}_{{n^{\ast }}}},{\hat{S}_{{n^{\ast }}+1}}\},\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula>
which is (<xref rid="j_vmsta314_eq_041">4.5</xref>). The right one-segment problem has an optimal finite length, but the left contribution in (<xref rid="j_vmsta314_eq_039">4.3</xref>) approaches its infimum strictly as <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_245"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
<mml:mo>→</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$j\to \mathrm{\infty }$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>; therefore no finite full path attains <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_246"><alternatives><mml:math><mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo largeop="false" movablelimits="false">ˆ</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mover></mml:math><tex-math><![CDATA[$\hat{S}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. □</p></statement></p>
</sec>
<sec id="j_vmsta314_s_009">
<label>5</label>
<title>Case II: paths with no vertex at the breakpoint</title>
<p>Throughout this section we work under the assumptions of Theorem <xref rid="j_vmsta314_stat_004">2.4</xref>: <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_247"><alternatives><mml:math>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$0\lt p\lt 1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_248"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$q\gt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_249"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo>≠</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$q\ne p,1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, and <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_250"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$\Delta \gt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, and we assume that no internal vertex equals <italic>c</italic>. Since the path is nondecreasing with <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_251"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${y_{0}}=0\lt c\lt 1={y_{N}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, there is a unique index <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_252"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>∈</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">{</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>…</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">}</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$k\in \{0,\dots ,N-1\}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> such that
<disp-formula id="j_vmsta314_eq_043">
<label>(5.1)</label><alternatives><mml:math display="block">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>;</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[\[{y_{k}}\lt c\lt {y_{k+1}};\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula>
we write <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_253"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$m:=N-k-1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> for the number of steps on the right piece <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_254"><alternatives><mml:math>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">[</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">]</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$[c,1]$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. The following lemmas compute the corresponding algebraic stationary path and then determine when it satisfies (<xref rid="j_vmsta314_eq_043">5.1</xref>). For <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_255"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>∈</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[$m\in {\mathbb{Z}_{\ge 0}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, put
<disp-formula id="j_vmsta314_eq_044">
<label>(5.2)</label><alternatives><mml:math display="block">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:munderover>
<mml:mrow>
<mml:mo largeop="true" movablelimits="false">∑</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mspace width="20.0pt"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:munderover>
<mml:mrow>
<mml:mo largeop="true" movablelimits="false">∑</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[\[{N_{m}}:=1-c(p-q){\sum \limits_{j=0}^{m-1}}{q^{j}},\hspace{20.0pt}{D_{m}}:={\sum \limits_{j=0}^{m-1}}{q^{2j}}+\frac{{q^{2m}}}{1-{p^{2}}},\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula>
where an empty sum is zero, so <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_256"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[${N_{0}}=1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_257"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[${D_{0}}={(1-{p^{2}})^{-1}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. The quantities <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_258"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${S_{m}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_259"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${Y_{m}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> of (<xref rid="j_vmsta314_eq_014">2.12</xref>) then have the equivalent form
<disp-formula id="j_vmsta314_eq_045">
<label>(5.3)</label><alternatives><mml:math display="block">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mspace width="20.0pt"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[\[{S_{m}}=\frac{{N_{m}^{2}}}{2{D_{m}}},\hspace{20.0pt}{Y_{m}}=\frac{{N_{m}}{q^{m}}}{{D_{m}}},\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula>
which defines them for every <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_260"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$m\ge 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>; the value <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_261"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${S_{m}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> is a Case II action only for indices satisfying the feasibility condition (<xref rid="j_vmsta314_eq_052">5.8</xref>).</p>
<sec id="j_vmsta314_s_010">
<label>5.1</label>
<title>Quadratic minimization and exact coordinates</title>
<p>For fixed <italic>m</italic> and <italic>k</italic>, we first derive a Cauchy–Schwarz lower bound, as in the linear case, and then use its equality case to compute <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_262"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${y_{k}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_263"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${y_{k+1}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>; the ordering and breakpoint constraints are not imposed in the inequality itself, but verified afterwards as feasibility (Corollary <xref rid="j_vmsta314_stat_016">5.2</xref>). Throughout, the terminal-side slope products are
<disp-formula id="j_vmsta314_eq_046">
<alternatives><mml:math display="block">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfenced separators="" open="{" close="">
<mml:mtable columnalign="left left" columnspacing="0pt">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mspace width="10.0pt"/>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mi mathvariant="italic">i</mml:mi>
<mml:mo>≤</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mspace width="10.0pt"/>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mi mathvariant="italic">i</mml:mi>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mspace width="20.0pt"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:munderover>
<mml:mrow>
<mml:mo largeop="true" movablelimits="false">∏</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">i</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mspace width="10.0pt"/>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>≤</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
<mml:mo>≤</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mspace width="20.0pt"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:munderover>
<mml:mrow>
<mml:mo largeop="true" movablelimits="false">∑</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo mathvariant="italic">.</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[\[{\alpha _{i}}:=\left\{\begin{array}{l@{\hskip0pt}l}p,\hspace{10.0pt}& i\le k+1,\\ {} q,\hspace{10.0pt}& i\ge k+2,\end{array}\right.\hspace{20.0pt}{W_{j}}:={\prod \limits_{i=j+1}^{N}}{\alpha _{i}}\hspace{10.0pt}(0\le j\le N),\hspace{20.0pt}{D_{m,k}}:={\sum \limits_{j=1}^{N}}{W_{j}^{2}}.\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula>
</p>
<p><statement id="j_vmsta314_stat_014"><label>Lemma 5.1.</label>
<p><italic>Fix</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_264"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$N\ge 1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> <italic>and an index</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_265"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>∈</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">{</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>…</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">}</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$k\in \{0,\dots ,N-1\}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula><italic>, and put</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_266"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$m=N-k-1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula><italic>. Consider paths</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_267"><alternatives><mml:math>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>≤</mml:mo>
<mml:mo>⋯</mml:mo>
<mml:mo>≤</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$0={y_{0}}\le \cdots \le {y_{N}}=1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> <italic>for which</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_268"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>…</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>…</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${y_{0}},\dots ,{y_{k}}\lt c\lt {y_{k+1}},\dots ,{y_{N}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula><italic>, so that</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_269"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">f</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[$f({y_{j-1}})=p{y_{j-1}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> <italic>for</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_270"><alternatives><mml:math>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>≤</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
<mml:mo>≤</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$1\le j\le k+1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> <italic>and</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_271"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">f</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$f({y_{j-1}})=q{y_{j-1}}+c(p-q)$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> <italic>for</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_272"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>≤</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
<mml:mo>≤</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$k+2\le j\le N$]]></tex-math></alternatives></inline-formula><italic>. Then</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_273"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo largeop="true" movablelimits="false">∑</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo largeop="true" movablelimits="false">∑</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[${D_{m,k}}={\sum _{j=0}^{m-1}}{q^{2j}}+{q^{2m}}{\sum _{j=0}^{k}}{p^{2j}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula><italic>, and every such path obeys</italic>
<disp-formula id="j_vmsta314_eq_047">
<label>(5.4)</label><alternatives><mml:math display="block">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold">y</mml:mi>
<mml:mo>;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">f</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[\[{I_{N}}(\mathbf{y};f)\ge \frac{{N_{m}^{2}}}{2{D_{m,k}}},\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula>
<italic>with equality if and only if the errors</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_274"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">f</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[${e_{j}}={y_{j}}-f({y_{j-1}})$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> <italic>satisfy</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_275"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${e_{j}}={\alpha _{j+1}}{e_{j+1}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula><italic>; equivalently,</italic>
<disp-formula id="j_vmsta314_eq_048">
<label>(5.5)</label><alternatives><mml:math display="block">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">f</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>′</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo fence="true" stretchy="true" maxsize="12.09pt" minsize="12.09pt">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">f</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo fence="true" stretchy="true" maxsize="12.09pt" minsize="12.09pt">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mspace width="20.0pt"/>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>≤</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
<mml:mo>≤</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">.</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[\[{y_{j}}-f({y_{j-1}})={f^{\prime }}({y_{j}})\Bigl({y_{j+1}}-f({y_{j}})\Bigr),\hspace{20.0pt}1\le j\le N-1.\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula>
<italic>In particular, the equality case in</italic> (<xref rid="j_vmsta314_eq_047">5.4</xref>) <italic>determines a unique path. For this path,</italic> (<xref rid="j_vmsta314_eq_048">5.5</xref>) <italic>holds, the action equals</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_276"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$S(m,k)={N_{m}^{2}}/(2{D_{m,k}})$]]></tex-math></alternatives></inline-formula><italic>, and the two coordinates adjacent to</italic> <italic>c</italic> <italic>are</italic>
<disp-formula id="j_vmsta314_eq_049">
<label>(5.6)</label><alternatives><mml:math display="block">
<mml:mtable columnspacing="0pt" columnalign="right left">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mrow>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable></mml:math><tex-math><![CDATA[\[\begin{array}{r@{\hskip0pt}l}\displaystyle {y_{k}}& \displaystyle =\frac{p(1-{p^{2k}})}{1-{p^{2}}}\frac{{N_{m}}{q^{m}}}{{D_{m,k}}},\end{array}\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula>
<disp-formula id="j_vmsta314_eq_050">
<label>(5.7)</label><alternatives><mml:math display="block">
<mml:mtable columnspacing="0pt" columnalign="right left">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mrow>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="italic">.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable></mml:math><tex-math><![CDATA[\[\begin{array}{r@{\hskip0pt}l}\displaystyle {y_{k+1}}& \displaystyle =\frac{1-{p^{2(k+1)}}}{1-{p^{2}}}\frac{{N_{m}}{q^{m}}}{{D_{m,k}}}.\end{array}\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula>
</p></statement></p>
<p><statement id="j_vmsta314_stat_015"><label>Proof.</label>
<p>Write <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_277"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">f</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[${e_{j}}={y_{j}}-f({y_{j-1}})$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, so that <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_278"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${e_{j}}={y_{j}}-{\alpha _{j}}{y_{j-1}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> for <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_279"><alternatives><mml:math>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>≤</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
<mml:mo>≤</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$1\le j\le k+1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_280"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[${e_{j}}={y_{j}}-{\alpha _{j}}{y_{j-1}}-c(p-q)$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> for <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_281"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>≤</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
<mml:mo>≤</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$k+2\le j\le N$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. The weights satisfy <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_282"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${W_{j-1}}={\alpha _{j}}{W_{j}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_283"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[${W_{N}}=1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, so the terms <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_284"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${y_{j}}-{\alpha _{j}}{y_{j-1}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> telescope to <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_285"><alternatives><mml:math>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo largeop="true" movablelimits="false">∑</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[${\sum _{j=1}^{N}}{W_{j}}({y_{j}}-{\alpha _{j}}{y_{j-1}})={W_{N}}{y_{N}}-{W_{0}}{y_{0}}=1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. Since <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_286"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[${W_{j}}={q^{N-j}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> for <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_287"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$j\ge k+1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, the constant <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_288"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$c(p-q)$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, present only for <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_289"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$j\ge k+2$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, contributes <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_290"><alternatives><mml:math>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo largeop="true" movablelimits="false">∑</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo largeop="true" movablelimits="false">∑</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo largeop="true" movablelimits="false">∑</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">i</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${\sum _{j=1}^{N}}{W_{j}}{e_{j}}=1-c(p-q){\sum _{j=k+2}^{N}}{W_{j}}=1-c(p-q){\sum _{i=0}^{m-1}}{q^{i}}={N_{m}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, and the Cauchy–Schwarz inequality yields <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_291"><alternatives><mml:math>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo largeop="true" movablelimits="false">∑</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>≤</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo largeop="true" movablelimits="false">∑</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo largeop="true" movablelimits="false">∑</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold">y</mml:mi>
<mml:mo>;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">f</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[${N_{m}^{2}}={({\sum _{j}}{W_{j}}{e_{j}})^{2}}\le ({\sum _{j}}{W_{j}^{2}})({\sum _{j}}{e_{j}^{2}})=2{D_{m,k}}{I_{N}}(\mathbf{y};f)$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, which is (<xref rid="j_vmsta314_eq_047">5.4</xref>). Equality holds precisely when <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_292"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${e_{j}}=\lambda {W_{j}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> for a common scalar <italic>λ</italic>; since <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_293"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>′</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[${W_{j}}/{W_{j+1}}={\alpha _{j+1}}={f^{\prime }}({y_{j}})$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, this proportionality is exactly the recurrence <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_294"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${e_{j}}={\alpha _{j+1}}{e_{j+1}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, that is, (<xref rid="j_vmsta314_eq_048">5.5</xref>). Evaluating <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_295"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo largeop="true" movablelimits="false">∑</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup></mml:math><tex-math><![CDATA[${\sum _{j}}{W_{j}^{2}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> on the slope-<italic>p</italic> and slope-<italic>q</italic> blocks gives the stated closed form for <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_296"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${D_{m,k}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. The equality profile forces <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_297"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo largeop="true" movablelimits="false">∑</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[$\lambda {D_{m,k}}={\sum _{j}}{W_{j}}{e_{j}}={N_{m}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, so <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_298"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[$\lambda ={N_{m}}/{D_{m,k}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_299"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold">y</mml:mi>
<mml:mo>;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">f</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="false">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[${I_{N}}(\mathbf{y};f)=\frac{1}{2}{\lambda ^{2}}{D_{m,k}}={N_{m}^{2}}/(2{D_{m,k}})$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>.</p>
<p>It remains to read off <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_300"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${y_{k}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_301"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${y_{k+1}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. Since <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_302"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[${W_{1}}={p^{k}}{q^{m}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, the equality profile gives <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_303"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${e_{1}}=\lambda {W_{1}}={N_{m}}{p^{k}}{q^{m}}/{D_{m,k}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_304"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[${e_{j}}={e_{1}}/{p^{j-1}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> for <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_305"><alternatives><mml:math>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>≤</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
<mml:mo>≤</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$1\le j\le k+1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. On the left piece <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_306"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${y_{j}}=p{y_{j-1}}+{e_{j}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, so induction yields <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_307"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mo fence="true" stretchy="true" maxsize="12.09pt" minsize="12.09pt">(</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">i</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo fence="true" stretchy="true" maxsize="12.09pt" minsize="12.09pt">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[${y_{i}}={e_{1}}(1-{p^{2i}})/\Bigl({p^{i-1}}(1-{p^{2}})\Bigr)$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> for <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_308"><alternatives><mml:math>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>≤</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">i</mml:mi>
<mml:mo>≤</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$1\le i\le k+1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>: the identity holds at <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_309"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">i</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$i=1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, and if it holds at <italic>i</italic>, then
<disp-formula id="j_vmsta314_eq_051">
<alternatives><mml:math display="block">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">i</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mspace width="1.67pt"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">i</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">i</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo mathvariant="italic">.</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[\[{y_{i+1}}=p\hspace{1.67pt}{e_{1}}\frac{1-{p^{2i}}}{{p^{i-1}}(1-{p^{2}})}+\frac{{e_{1}}}{{p^{i}}}={e_{1}}\frac{1-{p^{2(i+1)}}}{{p^{i}}(1-{p^{2}})}.\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula>
Taking <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_310"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">i</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$i=k$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_311"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">i</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$i=k+1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and substituting <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_312"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${e_{1}}={N_{m}}{p^{k}}{q^{m}}/{D_{m,k}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> gives (<xref rid="j_vmsta314_eq_049">5.6</xref>)–(<xref rid="j_vmsta314_eq_050">5.7</xref>). □</p></statement></p>
<p><statement id="j_vmsta314_stat_016"><label>Corollary 5.2.</label>
<p><italic>Call the pair</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_313"><alternatives><mml:math>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$(m,k)$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> feasible <italic>if the coordinates</italic> (<xref rid="j_vmsta314_eq_049">5.6</xref>)<italic>–</italic>(<xref rid="j_vmsta314_eq_050">5.7</xref>) <italic>satisfy</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_314"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${y_{k}}\lt c\lt {y_{k+1}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula><italic>. For fixed</italic> <italic>m</italic><italic>,</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_315"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$S(m,k)$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> <italic>decreases strictly to</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_316"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${S_{m}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula><italic>. Moreover the limit of these coordinates satisfies</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_317"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${y_{k}}\lt c\lt {y_{k+1}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> <italic>exactly when</italic>
<disp-formula id="j_vmsta314_eq_052">
<label>(5.8)</label><alternatives><mml:math display="block">
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo mathvariant="italic">.</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[\[c(1-{p^{2}})\lt {Y_{m}}\lt \frac{c(1-{p^{2}})}{p}.\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula>
</p></statement></p>
<p><statement id="j_vmsta314_stat_017"><label>Proof.</label>
<p>Since <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_318"><alternatives><mml:math>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$0\lt p\lt 1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, we have <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_319"><alternatives><mml:math>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo largeop="true" movablelimits="false">∑</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>↗</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[${\sum _{j=0}^{k}}{p^{2j}}=(1-{p^{2(k+1)}})/(1-{p^{2}})\nearrow {(1-{p^{2}})^{-1}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, so <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_320"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>↗</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${D_{m,k}}\nearrow {D_{m}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> while <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_321"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${N_{m}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> does not depend on <italic>k</italic>; consequently <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_322"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>↓</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[$S(m,k)={N_{m}^{2}}/(2{D_{m,k}})\downarrow {S_{m}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, strictly. Equations (<xref rid="j_vmsta314_eq_049">5.6</xref>)–(<xref rid="j_vmsta314_eq_050">5.7</xref>) tend to
<disp-formula id="j_vmsta314_eq_053">
<label>(5.9)</label><alternatives><mml:math display="block">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>⟶</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mspace width="20.0pt"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>⟶</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[\[{y_{k}}\longrightarrow \frac{p{Y_{m}}}{1-{p^{2}}},\hspace{20.0pt}{y_{k+1}}\longrightarrow \frac{{Y_{m}}}{1-{p^{2}}},\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula>
so the feasibility condition <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_323"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${y_{k}}\lt c\lt {y_{k+1}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> is precisely (<xref rid="j_vmsta314_eq_052">5.8</xref>). □</p></statement></p>
</sec>
<sec id="j_vmsta314_s_011">
<label>5.2</label>
<title>Continuous optimization of the algebraic value</title>
<p>Corollary <xref rid="j_vmsta314_stat_016">5.2</xref> leaves us to minimize the limiting values <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_324"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${S_{m}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> over <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_325"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>∈</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[$m\in {\mathbb{Z}_{\ge 0}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>; we first analyze this sequence as a real-variable function and then use the result in the four cases of Theorem <xref rid="j_vmsta314_stat_004">2.4</xref>. Throughout we assume <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_326"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo>≠</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$q\ne 1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. It follows directly from the definitions of <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_327"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${N_{m}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_328"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${D_{m}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, and <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_329"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[${S_{m}}={N_{m}^{2}}/(2{D_{m}})$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> that
<disp-formula id="j_vmsta314_eq_054">
<label>(5.10)</label><alternatives><mml:math display="block">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[\[{N_{m}}=\frac{\Delta +c(p-q){q^{m}}}{1-q}=\frac{\Delta -c(q-p){q^{m}}}{1-q},\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula>
so that <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_330"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${S_{m}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> has the equivalent closed form
<disp-formula id="j_vmsta314_eq_055">
<label>(5.11)</label><alternatives><mml:math display="block">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="italic">.</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[\[{S_{m}}=\frac{1+q}{2(1-q)}\frac{{(\Delta -c(q-p){q^{m}})^{2}}}{1-\lambda {q^{2m}}}.\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula>
To optimize over <italic>m</italic> we relax it to a real variable: setting <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_331"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$t={q^{m}}\gt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and
<disp-formula id="j_vmsta314_eq_056">
<label>(5.12)</label><alternatives><mml:math display="block">
<mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[\[\delta :=c(q-p),\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula>
we minimize the smooth function <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_332"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">δt</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$\mathcal{S}(t)=\frac{1+q}{2(1-q)}{(\Delta -\mathit{\delta t})^{2}}/(1-\lambda {t^{2}})$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, for which <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_333"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[${S_{m}}=\mathcal{S}({q^{m}})$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, and round to an adjacent integer afterwards (the rounding is performed in Theorem <xref rid="j_vmsta314_stat_004">2.4</xref> and Lemma <xref rid="j_vmsta314_stat_030">6.1</xref>).</p>
<p><statement id="j_vmsta314_stat_018"><label>Lemma 5.3.</label>
<p><italic>Let</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_334"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo>≠</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$q\ne 1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula><italic>. On the half-line</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_335"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$m\ge 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula><italic>, the derivative of the continuous extension of</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_336"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[${S_{m}}=\mathcal{S}({q^{m}})$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> <italic>can vanish only at the real point</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_337"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${m_{0}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> <italic>defined in Section</italic> <xref rid="j_vmsta314_s_006"><italic>2.4</italic></xref><italic>, equivalently at</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_338"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[${t_{0}}:={q^{{m_{0}}}}=c(1-{p^{2}})/((p+q)\Delta )$]]></tex-math></alternatives></inline-formula><italic>. If</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_339"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[${m_{0}}\gt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula><italic>, this point is a strict minimum when</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_340"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$q\gt p$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> <italic>and a strict maximum when</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_341"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$q\lt p$]]></tex-math></alternatives></inline-formula><italic>. If</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_342"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>≤</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[${m_{0}}\le 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula><italic>, there is no critical point on</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_343"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$m\gt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula><italic>.</italic></p></statement></p>
<p><statement id="j_vmsta314_stat_019"><label>Proof.</label>
<p>The constant factor in <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_344"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$\mathcal{S}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> does not affect the critical points, and by the quotient rule
<disp-formula id="j_vmsta314_eq_057">
<alternatives><mml:math display="block">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">dt</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">δt</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">δt</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">λt</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">δt</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">δt</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="italic">.</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[\[\frac{d}{\mathit{dt}}\frac{{(\Delta -\mathit{\delta t})^{2}}}{1-\lambda {t^{2}}}=\frac{-2\delta (\Delta -\mathit{\delta t})(1-\lambda {t^{2}})+2\mathit{\lambda t}{(\Delta -\mathit{\delta t})^{2}}}{{(1-\lambda {t^{2}})^{2}}}=\frac{2(\Delta -\mathit{\delta t})(-\delta +\lambda \Delta t)}{{(1-\lambda {t^{2}})^{2}}}.\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula>
The numerator vanishes at <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_345"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$t=\Delta /\delta $]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and at <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_346"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$t=\delta /(\lambda \Delta )$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>.</p>
<p>The first root lies outside the domain <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_347"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[$t={q^{m}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_348"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$m\ge 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. If <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_349"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$q\lt p$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, then <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_350"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$\delta \lt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_351"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$\Delta /\delta \lt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. If <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_352"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$p\lt q\lt 1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, then <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_353"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$\Delta -\delta =1-q\gt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, so <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_354"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$\Delta /\delta \gt 1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, whereas <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_355"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
<mml:mo>≤</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$t\le 1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. If <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_356"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$q\gt 1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, then <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_357"><alternatives><mml:math>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$0\lt \Delta /\delta \lt 1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, whereas <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_358"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$t\ge 1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. Hence the sole possible critical point is
<disp-formula id="j_vmsta314_eq_058">
<label>(5.13)</label><alternatives><mml:math display="block">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="italic">.</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[\[{t_{0}}=\frac{\delta }{\lambda \Delta }=\frac{c(1-{p^{2}})}{(p+q)\Delta }.\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula>
To read off its type, restore the prefactor <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_359"><alternatives><mml:math>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$(1+q)/(2(1-q))$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and factor <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_360"><alternatives><mml:math>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$-\delta +\lambda \Delta t=\lambda \Delta (t-{t_{0}})$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, which gives <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_361"><alternatives><mml:math>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>′</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">δt</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[${\mathcal{S}^{\prime }}(t)=\frac{1+q}{1-q}(\Delta -\mathit{\delta t})\lambda \Delta (t-{t_{0}})/{(1-\lambda {t^{2}})^{2}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. Here <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_362"><alternatives><mml:math>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[${(1-\lambda {t^{2}})^{2}}\gt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>; the factor <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_363"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">δt</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[$\Delta -\mathit{\delta t}=(1-q){N_{m}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> carries the sign of <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_364"><alternatives><mml:math>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$1-q$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>; and <italic>λ</italic> carries the sign of <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_365"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$q-p$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> (as <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_366"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$\Delta \gt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>). Since <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_367"><alternatives><mml:math>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$(1+q)/(1-q)$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> also carries the sign of <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_368"><alternatives><mml:math>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$1-q$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, the two factors <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_369"><alternatives><mml:math>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$1-q$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> cancel and <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_370"><alternatives><mml:math>
<mml:mo>sgn</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>′</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo>sgn</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>⋅</mml:mo>
<mml:mo>sgn</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$sgn{\mathcal{S}^{\prime }}(t)=sgn(q-p)\cdot sgn(t-{t_{0}})$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. Thus <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_371"><alternatives><mml:math>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>′</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[${\mathcal{S}^{\prime }}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> passes from negative to positive at <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_372"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${t_{0}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> when <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_373"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$q\gt p$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, and from positive to negative when <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_374"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$q\lt p$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>; as <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_375"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[$t={q^{m}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> is a monotone reparametrization, <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_376"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${m_{0}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> is correspondingly the unique minimizer of <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_377"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${S_{m}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> when <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_378"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$q\gt p$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and its unique maximizer when <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_379"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$q\lt p$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. This applies inside the domain only when <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_380"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[${m_{0}}\gt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>; if <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_381"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>≤</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[${m_{0}}\le 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, the critical point lies outside <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_382"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$m\gt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. □</p></statement></p>
<p><statement id="j_vmsta314_stat_020"><label>Lemma 5.4.</label>
<p><italic>Let</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_383"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${c_{0}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> <italic>be as in</italic> (<xref rid="j_vmsta314_eq_013">2.11</xref>)<italic>. Then</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_384"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[${m_{0}}\gt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> <italic>if and only if</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_385"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[$c\lt {c_{0}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula><italic>.</italic></p></statement></p>
<p><statement id="j_vmsta314_stat_021"><label>Proof.</label>
<p>By (<xref rid="j_vmsta314_eq_058">5.13</xref>), <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_386"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[${t_{0}}={q^{{m_{0}}}}=c(1-{p^{2}})/((p+q)\Delta )\gt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. If <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_387"><alternatives><mml:math>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$0\lt q\lt 1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, then <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_388"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>↦</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[$m\mapsto {q^{m}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> is decreasing, so <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_389"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[${m_{0}}\gt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> is equivalent to <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_390"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[${t_{0}}\lt 1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, that is, since <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_391"><alternatives><mml:math>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$(p+q)\Delta \gt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, to <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_392"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$c(1-{p^{2}})\lt (p+q)\Delta =(p+q)(1-q)+c(p+q)(q-p)$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, or <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_393"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo fence="true" stretchy="true" maxsize="12.09pt" minsize="12.09pt">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo fence="true" stretchy="true" maxsize="12.09pt" minsize="12.09pt">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$c\Bigl(1-{p^{2}}-(p+q)(q-p)\Bigr)\lt (p+q)(1-q)$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. The bracket equals <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_394"><alternatives><mml:math>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$1-{q^{2}}=(1-q)(1+q)$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, and dividing by <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_395"><alternatives><mml:math>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$1-q\gt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> gives <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_396"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$c(1+q)\lt p+q$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, that is, <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_397"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[$c\lt {c_{0}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. If <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_398"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$q\gt 1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, then <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_399"><alternatives><mml:math>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[${q^{m}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> is increasing, so <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_400"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[${m_{0}}\gt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> is equivalent to <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_401"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[${t_{0}}\gt 1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, i.e. <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_402"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$c(1-{p^{2}})\gt (p+q)\Delta $]]></tex-math></alternatives></inline-formula>; the same algebra gives <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_403"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$c(1-q)(1+q)\gt (p+q)(1-q)$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, and division by <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_404"><alternatives><mml:math>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$1-q\lt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> reverses it into <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_405"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$c(1+q)\lt p+q$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> once again. Thus <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_406"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[${m_{0}}\gt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> if and only if <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_407"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[$c\lt {c_{0}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. □</p></statement></p>
<p><statement id="j_vmsta314_stat_022"><label>Remark 5.5.</label>
<p><italic>For</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_408"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$q\gt 1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula><italic>, the assumption</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_409"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$\Delta \gt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> <italic>already supplies a lower bound on</italic> <italic>c</italic><italic>: since</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_410"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$\Delta =1-q+c(q-p)$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> <italic>and</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_411"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$q-p\gt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula><italic>, one has</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_412"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$\Delta \gt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> <italic>if and only if</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_413"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$c\gt {c_{1}}:=(q-1)/(q-p)$]]></tex-math></alternatives></inline-formula><italic>. Hence, for</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_414"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$q\gt 1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula><italic>, the condition</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_415"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[${m_{0}}\gt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> <italic>describes the interval</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_416"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${c_{1}}\lt c\lt {c_{0}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula><italic>.</italic></p></statement></p>
<p><statement id="j_vmsta314_stat_023"><label>Corollary 5.6.</label>
<p><italic>Recall</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_417"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[${S_{0}}=(1-{p^{2}})/2$]]></tex-math></alternatives></inline-formula><italic>. Over the nonnegative integers</italic> <italic>m</italic><italic>: (a) if</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_418"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[$c\lt {c_{0}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula><italic>, then</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_419"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[${m_{0}}\gt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> <italic>and</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_420"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${S_{m}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> <italic>is unimodal, with an interior extremum near</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_421"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${m_{0}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula><italic>—a minimum when</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_422"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$q\gt p$]]></tex-math></alternatives></inline-formula><italic>, in which case the integer optimum is one of the two integers adjacent to</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_423"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${m_{0}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula><italic>, and a maximum when</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_424"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$q\lt p$]]></tex-math></alternatives></inline-formula><italic>; (b) if</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_425"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[$c\ge {c_{0}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula><italic>, then</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_426"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>≤</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[${m_{0}}\le 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> <italic>and</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_427"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${S_{m}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> <italic>is monotone for</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_428"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$m\ge 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula><italic>: increasing when</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_429"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$q\gt p$]]></tex-math></alternatives></inline-formula><italic>, so that</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_430"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>inf</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[${\inf _{m}}{S_{m}}={S_{0}}=(1-{p^{2}})/2$]]></tex-math></alternatives></inline-formula><italic>, and decreasing when</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_431"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$q\lt p$]]></tex-math></alternatives></inline-formula><italic>.</italic></p></statement></p>
<p><statement id="j_vmsta314_stat_024"><label>Proof.</label>
<p>Combine Lemmas <xref rid="j_vmsta314_stat_018">5.3</xref> and <xref rid="j_vmsta314_stat_020">5.4</xref>. If <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_432"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[$c\lt {c_{0}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, the unique real extremum <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_433"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${m_{0}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> is positive, which gives the unimodal alternative (a), the adjacent-integer statement being the standard rounding of a unimodal sequence. If <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_434"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[$c\ge {c_{0}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, then <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_435"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>≤</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[${m_{0}}\le 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, so the real extremum lies at or below 0 and <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_436"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$\mathcal{S}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> is monotone for <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_437"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$m\ge 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>; translating through <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_438"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[$t={q^{m}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> as in the proof of Lemma <xref rid="j_vmsta314_stat_018">5.3</xref> gives the stated monotonicity of <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_439"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${S_{m}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, with value <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_440"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[${S_{0}}=(1-{p^{2}})/2$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> at the endpoint <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_441"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$m=0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. □</p></statement></p>
<p><statement id="j_vmsta314_stat_025"><label>Lemma 5.7.</label>
<p><italic>For</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_442"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo>≠</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$q\ne 1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula><italic>, the real number</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_443"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${m_{0}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> <italic>satisfies the feasibility condition</italic> (<xref rid="j_vmsta314_eq_052">5.8</xref>)<italic>.</italic></p></statement></p>
<p><statement id="j_vmsta314_stat_026"><label>Proof.</label>
<p>Rewriting the closed form of <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_444"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${D_{m}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> as <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_445"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[${D_{m}}=(1-\lambda {q^{2m}})/(1-{q^{2}})$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and using (<xref rid="j_vmsta314_eq_054">5.10</xref>) gives <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_446"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[${Y_{m}}={N_{m}}{q^{m}}/{D_{m}}=(1+q){q^{m}}(\Delta -\delta {q^{m}})/(1-\lambda {q^{2m}})$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, with <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_447"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$\delta =c(q-p)$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> as in (<xref rid="j_vmsta314_eq_056">5.12</xref>). At <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_448"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${m_{0}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> the critical relation <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_449"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[$\delta =\lambda \Delta {q^{{m_{0}}}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> (proof of Lemma <xref rid="j_vmsta314_stat_018">5.3</xref>) gives <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_450"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$\Delta -\delta {q^{{m_{0}}}}=\Delta (1-\lambda {q^{2{m_{0}}}})$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, so, with <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_451"><alternatives><mml:math>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[${q^{{m_{0}}}}={t_{0}}=c(1-{p^{2}})/((p+q)\Delta )$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, one gets <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_452"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[${Y_{{m_{0}}}}=(1+q)\Delta {q^{{m_{0}}}}=c(1+q)(1-{p^{2}})/(p+q)$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. Dividing (<xref rid="j_vmsta314_eq_052">5.8</xref>), that is <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_453"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$c(1-{p^{2}})\lt {Y_{{m_{0}}}}\lt c(1-{p^{2}})/p$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, by <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_454"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$c(1-{p^{2}})\gt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> turns it into <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_455"><alternatives><mml:math>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$1\lt (1+q)/(p+q)\lt 1/p$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, and each of the two inequalities is equivalent to <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_456"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$p\lt 1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, which holds. □</p></statement></p>
<p><statement id="j_vmsta314_stat_027"><label>Lemma 5.8.</label>
<p><italic>For every</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_457"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$n\ge 1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula><italic>,</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_458"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo largeop="false" movablelimits="false">ˆ</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${\hat{S}_{n}}\ge {S_{n}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula><italic>. Equality holds if and only if</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_459"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[${Y_{n}}=c(1-{p^{2}})$]]></tex-math></alternatives></inline-formula><italic>, that is, the limiting value of</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_460"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${y_{k+1}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> <italic>equals</italic> <italic>c</italic> <italic>(as</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_461"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>→</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$k\to \mathrm{\infty }$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> <italic>with</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_462"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$m=n$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> <italic>fixed).</italic></p></statement></p>
<p><statement id="j_vmsta314_stat_028"><label>Proof.</label>
<p>A common-denominator reduction of <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_463"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo largeop="false" movablelimits="false">ˆ</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${\hat{S}_{n}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> from (<xref rid="j_vmsta314_eq_015">2.13</xref>) and <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_464"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${S_{n}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> from (<xref rid="j_vmsta314_eq_055">5.11</xref>) gives
<disp-formula id="j_vmsta314_eq_059">
<label>(5.14)</label><alternatives><mml:math display="block">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo largeop="true" movablelimits="false">ˆ</mml:mo></mml:mstyle>
</mml:mrow>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo fence="true" stretchy="true" maxsize="12.09pt" minsize="12.09pt">[</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo fence="true" stretchy="true" maxsize="12.09pt" minsize="12.09pt">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo fence="true" stretchy="true" maxsize="12.09pt" minsize="12.09pt">)</mml:mo>
<mml:mo fence="true" stretchy="true" maxsize="12.09pt" minsize="12.09pt">]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[\[{\hat{S}_{n}}-{S_{n}}=-\frac{{\Bigl[(1-{q^{2}}){D_{n}}\Bigl(c(1-{p^{2}})-{Y_{n}}\Bigr)\Bigr]^{2}}}{2({q^{2n}}-1)(1-{p^{2}}-({q^{2}}-{p^{2}}){q^{2n}})},\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula>
where <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_465"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${D_{n}},{Y_{n}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> denote <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_466"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${D_{m}},{Y_{m}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> at <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_467"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$m=n$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. Writing the second denominator factor as <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_468"><alternatives><mml:math>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[$1-{p^{2}}-({q^{2}}-{p^{2}}){q^{2n}}=(1-{q^{2}})(1-{p^{2}}){D_{n}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> with <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_469"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[${D_{n}}\gt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, the denominator equals <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_470"><alternatives><mml:math>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[$2({q^{2n}}-1)(1-{q^{2}})(1-{p^{2}}){D_{n}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, which is negative because <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_471"><alternatives><mml:math>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[${q^{2n}}-1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_472"><alternatives><mml:math>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[$1-{q^{2}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> have opposite signs for every <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_473"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo>≠</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$q\ne 1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>; as the numerator is the negative of a square, <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_474"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo largeop="false" movablelimits="false">ˆ</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${\hat{S}_{n}}\ge {S_{n}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. Finally <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_475"><alternatives><mml:math>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>≠</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$(1-{q^{2}}){D_{n}}\ne 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, so the numerator vanishes precisely when <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_476"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[${Y_{n}}=c(1-{p^{2}})$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, i.e. when the limiting value of <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_477"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${y_{k+1}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> equals <italic>c</italic>. The boundary case <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_478"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$q=1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> is excluded from (<xref rid="j_vmsta314_eq_059">5.14</xref>) but obeys the same bound: there, with <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_479"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">d</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$d=c(1-p)$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_480"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">a</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$a=1/(1-{p^{2}})$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> (Proposition <xref rid="j_vmsta314_stat_005">2.5</xref>),
<disp-formula id="j_vmsta314_eq_060">
<alternatives><mml:math display="block">
<mml:mtable columnspacing="0pt" columnalign="right left">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mrow>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">dn</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">a</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mspace width="20.0pt"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo largeop="true" movablelimits="false">ˆ</mml:mo></mml:mstyle>
</mml:mrow>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">nd</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo largeop="true" movablelimits="false">ˆ</mml:mo></mml:mstyle>
</mml:mrow>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mrow>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo fence="true" stretchy="true" maxsize="12.09pt" minsize="12.09pt">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">cnp</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo fence="true" stretchy="true" maxsize="12.09pt" minsize="12.09pt">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
<mml:mo fence="true" stretchy="true" maxsize="12.09pt" minsize="12.09pt">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
<mml:mo fence="true" stretchy="true" maxsize="12.09pt" minsize="12.09pt">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable></mml:math><tex-math><![CDATA[\[\begin{array}{r@{\hskip0pt}l}\displaystyle {S_{n}}& \displaystyle =\frac{{(1+\mathit{dn})^{2}}}{2(n+a)},\hspace{20.0pt}{\hat{S}_{n}}=\frac{1-{p^{2}}}{2}{c^{2}}+\frac{{(1-c+\mathit{nd})^{2}}}{2n},\\ {} \displaystyle {\hat{S}_{n}}-{S_{n}}& \displaystyle =\frac{{\Bigl(1-c-\mathit{cnp}(1-p)\Bigr)^{2}}}{2n\Bigl(1+(1-{p^{2}})n\Bigr)}\ge 0,\end{array}\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula>
again with equality precisely when <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_481"><alternatives><mml:math>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">cnp</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$1-c-\mathit{cnp}(1-p)=0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, i.e. when <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_482"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[${Y_{n}}=c(1-{p^{2}})$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, equivalently the limiting value of <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_483"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${y_{k+1}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> equals <italic>c</italic>. □</p></statement></p>
<p><statement id="j_vmsta314_stat_029"><label>Remark 5.9.</label>
<p><italic>A feasible index has</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_484"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[$c(1-{p^{2}})\lt {Y_{n}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> <italic>by</italic> (<xref rid="j_vmsta314_eq_052">5.8</xref>)<italic>, so</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_485"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>≠</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[${Y_{n}}\ne c(1-{p^{2}})$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> <italic>and the inequality is strict,</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_486"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo largeop="false" movablelimits="false">ˆ</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${\hat{S}_{n}}\gt {S_{n}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula><italic>. For an infeasible index</italic> (<xref rid="j_vmsta314_eq_059">5.14</xref>) <italic>still gives</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_487"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo largeop="false" movablelimits="false">ˆ</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${\hat{S}_{n}}\ge {S_{n}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula><italic>, now for the algebraic value</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_488"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${S_{n}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula><italic>, which is not a path cost there.</italic></p></statement></p>
</sec>
</sec>
<sec id="j_vmsta314_s_012">
<label>6</label>
<title>Feasibility and comparison lemmas</title>
<p>The proof of Theorem <xref rid="j_vmsta314_stat_004">2.4</xref> rests on the lemmas collected below, grouped by the regime that uses them and proved in Section <xref rid="j_vmsta314_s_015">9</xref>. For <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_489"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$q\gt p$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_490"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[$c\lt {c_{0}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> the sequence <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_491"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${S_{m}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> has an interior minimum, and the integer nearest that minimum is itself feasible.</p>
<p><statement id="j_vmsta314_stat_030"><label>Lemma 6.1.</label>
<p><italic>Assume</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_492"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$q\gt p$]]></tex-math></alternatives></inline-formula><italic>,</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_493"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$\Delta \gt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula><italic>, and</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_494"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[$c\lt {c_{0}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula><italic>. Let</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_495"><alternatives><mml:math>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>∗</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[${m^{\ast }}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> <italic>be whichever of the two integers adjacent to</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_496"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${m_{0}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> <italic>yields the smaller value of</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_497"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${S_{m}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula><italic>. Then</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_498"><alternatives><mml:math>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>∗</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[${m^{\ast }}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> <italic>satisfies the feasibility condition</italic> (<xref rid="j_vmsta314_eq_052">5.8</xref>)<italic>; equivalently,</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_499"><alternatives><mml:math>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>∗</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>∈</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="script">M</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[${m^{\ast }}\in \mathcal{M}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula><italic>.</italic></p></statement></p>
<p>For <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_500"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$q\lt p$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_501"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[$c\lt {c_{0}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, instead, <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_502"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${S_{m}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> has an interior maximum, so feasibility is decided at the two ends of a short interval. The next three lemmas control the length of that interval, compare the feasible value of <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_503"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${S_{m}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> with the breakpoint value, and bound the cost of every path whose number of steps on the right-hand piece is not feasible.</p>
<p><statement id="j_vmsta314_stat_031"><label>Lemma 6.2.</label>
<p><italic>Assume</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_504"><alternatives><mml:math>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$0\lt q\lt p\lt 1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> <italic>and</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_505"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[$c\lt {c_{0}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula><italic>. Then the real solutions</italic> <italic>m</italic> <italic>of the feasibility condition</italic> (<xref rid="j_vmsta314_eq_052">5.8</xref>) <italic>form an interval of length less than one, so</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_506"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="script">M</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$\mathcal{M}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> <italic>contains at most one integer.</italic></p></statement></p>
<p><statement id="j_vmsta314_stat_032"><label>Lemma 6.3.</label>
<p><italic>Assume</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_507"><alternatives><mml:math>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$0\lt q\lt p\lt 1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> <italic>and</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_508"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[$c\lt {c_{0}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula><italic>. If</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_509"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="script">M</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">{</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>∗</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">}</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$\mathcal{M}=\{{m^{\ast }}\}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula><italic>, then</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_510"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>∗</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo><mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo largeop="false" movablelimits="false">ˆ</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mover></mml:math><tex-math><![CDATA[${S_{{m^{\ast }}}}\lt \hat{S}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula><italic>.</italic></p></statement></p>
<p><statement id="j_vmsta314_stat_033"><label>Lemma 6.4.</label>
<p><italic>Assume</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_511"><alternatives><mml:math>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$0\lt q\lt p\lt 1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> <italic>and</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_512"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[$c\lt {c_{0}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula><italic>. For every</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_513"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>∉</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="script">M</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$m\notin \mathcal{M}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula><italic>, every path with</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_514"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${y_{k}}\lt c\lt {y_{k+1}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> <italic>and</italic> <italic>m</italic> <italic>steps on the right piece has</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_515"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold">y</mml:mi>
<mml:mo>;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">f</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>≥</mml:mo><mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo largeop="false" movablelimits="false">ˆ</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mover></mml:math><tex-math><![CDATA[${I_{N}}(\mathbf{y};f)\ge \hat{S}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula><italic>.</italic></p></statement></p>
<p>Finally, for <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_516"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$q\lt p$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_517"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[$c\ge {c_{0}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> the sequence <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_518"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${S_{m}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> is monotone and only <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_519"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$m=0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> is feasible; the last lemma excludes every <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_520"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$m\ge 1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>.</p>
<p><statement id="j_vmsta314_stat_034"><label>Lemma 6.5.</label>
<p><italic>Assume</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_521"><alternatives><mml:math>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$0\lt q\lt p\lt 1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> <italic>and</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_522"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[$c\ge {c_{0}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula><italic>. Then for every</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_523"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$m\ge 1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> <italic>and</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_524"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$k\ge 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> <italic>the coordinates</italic> (<xref rid="j_vmsta314_eq_049">5.6</xref>)<italic>–</italic>(<xref rid="j_vmsta314_eq_050">5.7</xref>) <italic>satisfy</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_525"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[${y_{k+1}}\lt c$]]></tex-math></alternatives></inline-formula><italic>; hence no index</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_526"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$m\ge 1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> <italic>is feasible.</italic></p></statement></p>
</sec>
<sec id="j_vmsta314_s_013">
<label>7</label>
<title>Proof of the classification theorem</title>
<p><statement id="j_vmsta314_stat_035"><label>Proof of Theorem 2.4.</label>
<p>Every admissible nondecreasing path belongs to one of the two classes studied above: it either has an internal vertex at <italic>c</italic>, or it has none. The first class is governed by Proposition <xref rid="j_vmsta314_stat_012">4.2</xref>, the second by Corollary <xref rid="j_vmsta314_stat_016">5.2</xref> and the lemmas of Section <xref rid="j_vmsta314_s_012">6</xref>. We separate the four cases.</p>
<p><bold>Case 1:</bold> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_527"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$q\gt p$]]></tex-math></alternatives></inline-formula><bold>,</bold> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_528"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[$c\lt {c_{0}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula><bold>.</bold> We prove <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_529"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">f</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>∗</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[$S(f)={S_{{m^{\ast }}}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, where <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_530"><alternatives><mml:math>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>∗</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[${m^{\ast }}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> is the better of the two integers adjacent to <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_531"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${m_{0}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>; three things must be checked: that <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_532"><alternatives><mml:math>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>∗</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[${m^{\ast }}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> is the integer minimizer, that it is feasible, and that <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_533"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>∗</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${S_{{m^{\ast }}}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> is smaller than the breakpoint value <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_534"><alternatives><mml:math><mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo largeop="false" movablelimits="false">ˆ</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mover></mml:math><tex-math><![CDATA[$\hat{S}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. By Corollary <xref rid="j_vmsta314_stat_023">5.6</xref>(a), <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_535"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[${m_{0}}\gt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_536"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${S_{m}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> is unimodal with an interior minimum, so its minimum over <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_537"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>∈</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[$m\in {\mathbb{Z}_{\ge 0}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> is attained at one of the two integers adjacent to <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_538"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${m_{0}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>; call it <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_539"><alternatives><mml:math>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>∗</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[${m^{\ast }}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. By Lemma <xref rid="j_vmsta314_stat_030">6.1</xref> it satisfies the feasibility condition (<xref rid="j_vmsta314_eq_052">5.8</xref>), so <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_540"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>∗</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${S_{{m^{\ast }}}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> is the relevant limiting value: the finite costs <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_541"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>∗</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$S({m^{\ast }},k)$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> decrease strictly to it as <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_542"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>→</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$k\to \mathrm{\infty }$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> (Corollary <xref rid="j_vmsta314_stat_016">5.2</xref>). For the comparison with the breakpoint value, Lemma <xref rid="j_vmsta314_stat_027">5.8</xref> gives <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_543"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo largeop="false" movablelimits="false">ˆ</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>∗</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${\hat{S}_{n}}\ge {S_{n}}\ge {S_{{m^{\ast }}}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> for each threshold index <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_544"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
<mml:mo>∈</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">{</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>∗</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>∗</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">}</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$n\in \{{n^{\ast }},{n^{\ast }}+1\}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, and this is strict: if <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_545"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>∗</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${S_{n}}\gt {S_{{m^{\ast }}}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, then <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_546"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo largeop="false" movablelimits="false">ˆ</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>∗</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${\hat{S}_{n}}\ge {S_{n}}\gt {S_{{m^{\ast }}}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>; and if <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_547"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>∗</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${S_{n}}={S_{{m^{\ast }}}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, then <italic>n</italic> minimizes <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_548"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${S_{m}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and so is feasible (Lemma <xref rid="j_vmsta314_stat_030">6.1</xref>), whence <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_549"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo largeop="false" movablelimits="false">ˆ</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>∗</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${\hat{S}_{n}}\gt {S_{n}}={S_{{m^{\ast }}}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> by Remark <xref rid="j_vmsta314_stat_029">5.9</xref>. In either case <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_550"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo largeop="false" movablelimits="false">ˆ</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>∗</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${\hat{S}_{n}}\gt {S_{{m^{\ast }}}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, so <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_551"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>∗</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo><mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo largeop="false" movablelimits="false">ˆ</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mover></mml:math><tex-math><![CDATA[${S_{{m^{\ast }}}}\lt \hat{S}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. Since the finite costs decrease strictly to <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_552"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>∗</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${S_{{m^{\ast }}}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and this value is smaller than every breakpoint value, <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_553"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">f</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>∗</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[$S(f)={S_{{m^{\ast }}}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, attained at no finite horizon. This is the first line of the theorem.</p>
<p><bold>Case 2:</bold> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_554"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$q\lt p$]]></tex-math></alternatives></inline-formula><bold>,</bold> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_555"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[$c\lt {c_{0}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula><bold>.</bold> Here <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_556"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[${m_{0}}\gt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> is a <italic>maximum</italic> of <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_557"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${S_{m}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> (Corollary <xref rid="j_vmsta314_stat_023">5.6</xref>(a)): <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_558"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${S_{m}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> increases on <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_559"><alternatives><mml:math>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$(0,{m_{0}})$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and decreases on <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_560"><alternatives><mml:math>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$({m_{0}},\mathrm{\infty })$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. It has no interior minimum, so among the feasible indices the cost decreases toward the two ends of the feasible interval, not toward the interior maximum <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_561"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${m_{0}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. By Lemma <xref rid="j_vmsta314_stat_025">5.7</xref>, <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_562"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${m_{0}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> lies strictly inside that interval, and by Lemma <xref rid="j_vmsta314_stat_031">6.2</xref> the interval has length less than one; hence the only integers it can contain are <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_563"><alternatives><mml:math>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">⌊</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">⌋</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$\lfloor {m_{0}}\rfloor $]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_564"><alternatives><mml:math>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">⌈</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">⌉</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$\lceil {m_{0}}\rceil $]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, and at most one of them is feasible. Its endpoints, where <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_565"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[${y_{k}}=c$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> or <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_566"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[${y_{k+1}}=c$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, are breakpoint configurations of Case I and are excluded from Case II. Thus <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_567"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="script">M</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">{</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>∗</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">}</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$\mathcal{M}=\{{m^{\ast }}\}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> or <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_568"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="script">M</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">∅</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$\mathcal{M}=\mathrm{\varnothing }$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, giving the second and third lines of the theorem.</p>
<p>If <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_569"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="script">M</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">{</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>∗</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">}</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$\mathcal{M}=\{{m^{\ast }}\}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, the only feasible limiting value from Case II is <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_570"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>∗</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${S_{{m^{\ast }}}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>; by Lemma <xref rid="j_vmsta314_stat_032">6.3</xref> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_571"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>∗</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo><mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo largeop="false" movablelimits="false">ˆ</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mover></mml:math><tex-math><![CDATA[${S_{{m^{\ast }}}}\lt \hat{S}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, and by Lemma <xref rid="j_vmsta314_stat_033">6.4</xref> every path whose number of steps on the right-hand piece lies outside <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_572"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="script">M</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$\mathcal{M}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> costs at least <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_573"><alternatives><mml:math><mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo largeop="false" movablelimits="false">ˆ</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mover></mml:math><tex-math><![CDATA[$\hat{S}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, so no other path can do better. Since <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_574"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>∗</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$S({m^{\ast }},k)$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> decreases strictly to <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_575"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>∗</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${S_{{m^{\ast }}}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> (Corollary <xref rid="j_vmsta314_stat_016">5.2</xref>), <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_576"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">f</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>∗</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[$S(f)={S_{{m^{\ast }}}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, attained at no finite horizon. If <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_577"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="script">M</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">∅</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$\mathcal{M}=\mathrm{\varnothing }$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, there is no feasible Case II limiting value, and by Lemma <xref rid="j_vmsta314_stat_033">6.4</xref> every path costs at least <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_578"><alternatives><mml:math><mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo largeop="false" movablelimits="false">ˆ</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mover></mml:math><tex-math><![CDATA[$\hat{S}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>; the breakpoint class of Case I therefore supplies the infimum, whose value <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_579"><alternatives><mml:math><mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo largeop="false" movablelimits="false">ˆ</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mover></mml:math><tex-math><![CDATA[$\hat{S}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> is realized in the limit but at no finite horizon, so <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_580"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">f</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo><mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo largeop="false" movablelimits="false">ˆ</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mover></mml:math><tex-math><![CDATA[$S(f)=\hat{S}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>.</p>
<p><bold>Case 3:</bold> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_581"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$q\gt p$]]></tex-math></alternatives></inline-formula><bold>,</bold> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_582"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[$c\ge {c_{0}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula><bold>.</bold> Here <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_583"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>≤</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[${m_{0}}\le 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, so by Corollary <xref rid="j_vmsta314_stat_023">5.6</xref>(b) <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_584"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${S_{m}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> is increasing for <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_585"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$m\ge 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_586"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[${S_{m}}\ge {S_{0}}=(1-{p^{2}})/2$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. The finite algebraic costs exceed this, <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_587"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[$S(m,k)\gt {S_{m}}\ge {S_{0}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> (Corollary <xref rid="j_vmsta314_stat_016">5.2</xref>), and so do the breakpoint values, <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_588"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo largeop="false" movablelimits="false">ˆ</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${\hat{S}_{n}}\ge {S_{n}}\ge {S_{0}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> (Lemma <xref rid="j_vmsta314_stat_027">5.8</xref>); thus <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_589"><alternatives><mml:math>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$(1-{p^{2}})/2$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> is a lower bound for every admissible cost. It is approached along the feasible <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_590"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$m=0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> configurations,
<disp-formula id="j_vmsta314_eq_061">
<label>(7.1)</label><alternatives><mml:math display="block">
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>↓</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[\[S(0,k)=\frac{1-{p^{2}}}{2(1-{p^{2(k+1)}})}\downarrow \frac{1-{p^{2}}}{2},\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula>
each term lying strictly above the limit. Therefore <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_591"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">f</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$S(f)=(1-{p^{2}})/2$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, attained at no finite horizon.</p>
<p><bold>Case 4:</bold> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_592"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$q\lt p$]]></tex-math></alternatives></inline-formula><bold>,</bold> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_593"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[$c\ge {c_{0}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula><bold>.</bold> Here <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_594"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>≤</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[${m_{0}}\le 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, so by Corollary <xref rid="j_vmsta314_stat_023">5.6</xref>(b) the formula <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_595"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${S_{m}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> is <italic>decreasing</italic> for <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_596"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$m\ge 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, sinking toward its infimum as <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_597"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>→</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$m\to \mathrm{\infty }$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. None of these small values is feasible, however: by Lemma <xref rid="j_vmsta314_stat_034">6.5</xref> every index <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_598"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$m\ge 1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> has <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_599"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[${y_{k+1}}\lt c$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. The only feasible index is <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_600"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$m=0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, admissible because <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_601"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$c\ge {c_{0}}\gt p$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> (indeed <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_602"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[${c_{0}}-p=q(1-p)/(1+q)\gt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>); as in Case 3 it gives (<xref rid="j_vmsta314_eq_061">7.1</xref>). For the matching lower bound, <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_603"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$q\lt p$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> gives <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_604"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">f</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>≤</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">px</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$f(x)\le \mathit{px}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> on <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_605"><alternatives><mml:math>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">[</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">]</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$[0,1]$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, so every nondecreasing path has <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_606"><alternatives><mml:math>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>≤</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>≤</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">f</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$0\le {y_{j}}-p{y_{j-1}}\le {y_{j}}-f({y_{j-1}})$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, and the linear Cauchy–Schwarz estimate yields
<disp-formula id="j_vmsta314_eq_062">
<label>(7.2)</label><alternatives><mml:math display="block">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold">y</mml:mi>
<mml:mo>;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">f</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:munderover>
<mml:mrow>
<mml:mo largeop="true" movablelimits="false">∑</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="italic">.</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[\[{I_{N}}(\mathbf{y};f)\ge \frac{1}{2}{\sum \limits_{j=1}^{N}}{({y_{j}}-p{y_{j-1}})^{2}}\ge \frac{1-{p^{2}}}{2(1-{p^{2N}})}\gt \frac{1-{p^{2}}}{2}.\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula>
Together with the preceding <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_607"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$m=0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> paths this gives <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_608"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">f</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$S(f)=(1-{p^{2}})/2$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, attained at no finite horizon.</p>
<p>The four cases prove the formula, and the strict finite-<italic>k</italic> inequalities above prove nonattainment. □</p></statement></p>
</sec>
<sec id="j_vmsta314_s_014">
<label>8</label>
<title>Boundary regimes</title>
<p>This section proves the three remaining boundary results, Propositions <xref rid="j_vmsta314_stat_005">2.5</xref>, <xref rid="j_vmsta314_stat_006">2.6</xref> and <xref rid="j_vmsta314_stat_007">2.7</xref>.</p>
<p><statement id="j_vmsta314_stat_036"><label>Proof of Proposition 2.5.</label>
<p>Let <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_609"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">d</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$d=c(1-p)$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, so <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_610"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">f</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">d</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$f(x)=x-d$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> on <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_611"><alternatives><mml:math>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">[</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">]</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$[c,1]$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. The finite and limiting costs for paths with no internal vertex at <italic>c</italic> are
<disp-formula id="j_vmsta314_eq_063">
<alternatives><mml:math display="block">
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">dm</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mspace width="10.0pt"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mspace width="20.0pt"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">dm</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">a</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mspace width="10.0pt"/>
<mml:mi mathvariant="italic">a</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[\[S(m,k)=\frac{{(1+\mathit{dm})^{2}}}{2(m+{C_{k}})},\hspace{10.0pt}{C_{k}}=\frac{1-{p^{2(k+1)}}}{1-{p^{2}}},\hspace{20.0pt}{S_{m}}=\frac{{(1+\mathit{dm})^{2}}}{2(m+a)},\hspace{10.0pt}a=\frac{1}{1-{p^{2}}},\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula>
and a direct differentiation gives <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_612"><alternatives><mml:math>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>′</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">dm</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">dm</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">da</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mo fence="true" stretchy="true" maxsize="12.09pt" minsize="12.09pt">(</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">a</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo fence="true" stretchy="true" maxsize="12.09pt" minsize="12.09pt">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[${S^{\prime }_{m}}=(1+\mathit{dm})(\mathit{dm}+2\mathit{da}-1)/\Bigl(2{(m+a)^{2}}\Bigr)$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>; thus <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_613"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">d</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">a</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[${m_{1}}=1/d-2a$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, and <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_614"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[${m_{1}}\gt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> if and only if <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_615"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$c\lt (1+p)/2$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. As in Corollary <xref rid="j_vmsta314_stat_016">5.2</xref>, the limiting coordinates satisfy <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_616"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${y_{k}}\lt c\lt {y_{k+1}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> exactly when the feasibility condition (<xref rid="j_vmsta314_eq_052">5.8</xref>) holds; at <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_617"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$q=1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> the quantity appearing there is
<disp-formula id="j_vmsta314_eq_064">
<label>(8.1)</label><alternatives><mml:math display="block">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">dm</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[\[{Y_{m}}=\frac{(1-{p^{2}})(1+\mathit{dm})}{1+(1-{p^{2}})m},\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula>
so feasibility reads <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_618"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$c(1-{p^{2}})\lt {Y_{m}}\lt c(1-{p^{2}})/p$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. Both denominators are positive and <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_619"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">d</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$d\gt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>; clearing them turns these two inequalities into <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_620"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">L</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">U</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$L\lt m\lt U$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, where <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_621"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">L</mml:mi>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">d</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$L:=(p-c)/d$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_622"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">U</mml:mi>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">pd</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$U:=(1-c)/(\mathit{pd})$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. The real minimizer <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_623"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${m_{1}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> always lies strictly inside this interval, since <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_624"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">L</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mo fence="true" stretchy="true" maxsize="12.09pt" minsize="12.09pt">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo fence="true" stretchy="true" maxsize="12.09pt" minsize="12.09pt">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[${m_{1}}-L=(1+p-c)/\Bigl(c(1+p)\Bigr)\gt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_625"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">U</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mo fence="true" stretchy="true" maxsize="12.09pt" minsize="12.09pt">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">cp</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo fence="true" stretchy="true" maxsize="12.09pt" minsize="12.09pt">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$U-{m_{1}}=(1+p-c)/\Bigl(\mathit{cp}(1+p)\Bigr)\gt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>.</p>
<p>By the sign of <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_626"><alternatives><mml:math>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>′</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup></mml:math><tex-math><![CDATA[${S^{\prime }_{m}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, the map <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_627"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>↦</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[$m\mapsto {S_{m}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> is unimodal, strictly decreasing before <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_628"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${m_{1}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and strictly increasing after. When <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_629"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[${m_{1}}\gt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> its integer minimizer over <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_630"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$m\ge 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> is therefore one of the neighbours <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_631"><alternatives><mml:math>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>∗</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>∈</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">{</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">⌊</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">⌋</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">⌈</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">⌉</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">}</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[${m^{\ast }}\in \{\lfloor {m_{1}}\rfloor ,\lceil {m_{1}}\rceil \}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, and this <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_632"><alternatives><mml:math>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>∗</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[${m^{\ast }}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> is feasible by the same floor/ceiling contrapositive as in Lemma <xref rid="j_vmsta314_stat_030">6.1</xref>, in the simpler form available here. Indeed, a common-denominator subtraction gives <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_633"><alternatives><mml:math>
<mml:mo>sgn</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo>sgn</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">F</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$sgn({S_{m}}-{S_{m+1}})=sgnF(m)$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> with <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_634"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">F</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">a</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">a</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">ad</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$F(m)=1-{d^{2}}{m^{2}}-{d^{2}}m-2a{d^{2}}m-a{d^{2}}-2\mathit{ad}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, which plays the role of <italic>P</italic> in (<xref rid="j_vmsta314_eq_071">9.2</xref>) but is now simply strictly decreasing for <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_635"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$m\ge 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, with endpoint values <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_636"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">F</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">L</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$F(L)=(c-1)(p-1)(1+p-c)\gt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_637"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">F</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">U</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$F(U-1)=-(c-1)(p-1)(1+p-c)/{p^{2}}\lt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. So if the floor <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_638"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">⌊</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">⌋</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$n=\lfloor {m_{1}}\rfloor $]]></tex-math></alternatives></inline-formula> were the minimizer yet <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_639"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
<mml:mo>≤</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">L</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$n\le L$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, then <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_640"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">F</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">F</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">L</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$F(n)\ge F(L)\gt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, i.e. <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_641"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${S_{n}}\gt {S_{n+1}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, contradicting minimality; and if the ceiling <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_642"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">⌈</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">⌉</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$n+1=\lceil {m_{1}}\rceil $]]></tex-math></alternatives></inline-formula> were the minimizer yet <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_643"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">U</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$n+1\ge U$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, then <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_644"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">F</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>≤</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">F</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">U</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$F(n)\le F(U-1)\lt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, i.e. <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_645"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${S_{n}}\lt {S_{n+1}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, again a contradiction. Since <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_646"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">U</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$n\lt {m_{1}}\lt U$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_647"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">L</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$n+1\gt {m_{1}}\gt L$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> are automatic, <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_648"><alternatives><mml:math>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>∗</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>∈</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">L</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">U</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[${m^{\ast }}\in (L,U)$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> in every case.</p>
<p>It remains to compare with paths having an internal vertex at <italic>c</italic>: such a path has cost <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_649"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo largeop="false" movablelimits="false">ˆ</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${\hat{S}_{n}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> for some <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_650"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$n\ge 1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, and <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_651"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo largeop="false" movablelimits="false">ˆ</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${\hat{S}_{n}}\ge {S_{n}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> by Lemma <xref rid="j_vmsta314_stat_027">5.8</xref>, while every finite path with no internal vertex at <italic>c</italic> is represented by a pair <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_652"><alternatives><mml:math>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$(m,k)$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> with <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_653"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[$S(m,k)\gt {S_{m}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, since <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_654"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">a</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[${C_{k}}\lt a$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. If <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_655"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$c\lt (1+p)/2$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, then <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_656"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[${m_{1}}\gt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and the integer minimizer <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_657"><alternatives><mml:math>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>∗</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[${m^{\ast }}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> is feasible, so <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_658"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>∗</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>↓</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>∗</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[$S({m^{\ast }},k)\downarrow {S_{{m^{\ast }}}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>; for every threshold index <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_659"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$n\ge 1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> we have <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_660"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo largeop="false" movablelimits="false">ˆ</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>∗</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${\hat{S}_{n}}\ge {S_{n}}\ge {S_{{m^{\ast }}}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, and this is strict, since <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_661"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>∗</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${S_{n}}\gt {S_{{m^{\ast }}}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> gives <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_662"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo largeop="false" movablelimits="false">ˆ</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>∗</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${\hat{S}_{n}}\gt {S_{{m^{\ast }}}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> while <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_663"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>∗</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${S_{n}}={S_{{m^{\ast }}}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> makes <italic>n</italic> a minimizer of <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_664"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${S_{m}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, hence feasible, whence <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_665"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo largeop="false" movablelimits="false">ˆ</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>∗</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${\hat{S}_{n}}\gt {S_{n}}={S_{{m^{\ast }}}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> by Remark <xref rid="j_vmsta314_stat_029">5.9</xref>. Thus <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_666"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>∗</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo><mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo largeop="false" movablelimits="false">ˆ</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mover></mml:math><tex-math><![CDATA[${S_{{m^{\ast }}}}\lt \hat{S}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, while every Case II path has cost <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_667"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>∗</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[$S(m,k)\gt {S_{m}}\ge {S_{{m^{\ast }}}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>; hence <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_668"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">f</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>∗</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[$S(f)={S_{{m^{\ast }}}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. If <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_669"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$c\ge (1+p)/2$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, then <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_670"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>≤</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[${m_{1}}\le 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, so <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_671"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${S_{m}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> increases on <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_672"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$m\ge 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and its integer minimizer is <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_673"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$m=0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>; moreover <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_674"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$c\gt p$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> makes <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_675"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$m=0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> feasible, with <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_676"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[${S_{0}}=(1-{p^{2}})/2$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_677"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>↓</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[$S(0,k)\downarrow {S_{0}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. Every threshold index gives <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_678"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo largeop="false" movablelimits="false">ˆ</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${\hat{S}_{n}}\ge {S_{n}}\ge {S_{0}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, and every Case II path gives <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_679"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[$S(m,k)\gt {S_{m}}\ge {S_{0}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>; hence <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_680"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">f</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$S(f)=(1-{p^{2}})/2$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. In both cases the finite costs decrease strictly to the infimum, which is therefore attained at no finite horizon. Collecting the two cases,
<disp-formula id="j_vmsta314_eq_065">
<alternatives><mml:math display="block">
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">f</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfenced separators="" open="{" close="">
<mml:mtable columnalign="left left" columnspacing="0pt">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">d</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>∗</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>∗</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">a</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mspace width="10.0pt"/>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mspace width="10.0pt"/>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">.</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:math><tex-math><![CDATA[\[S(f)=\left\{\begin{array}{l@{\hskip0pt}l}\displaystyle \frac{{(1+d{m^{\ast }})^{2}}}{2({m^{\ast }}+a)},\hspace{10.0pt}& c\lt (1+p)/2,\\ {} \displaystyle \frac{1-{p^{2}}}{2},\hspace{10.0pt}& c\ge (1+p)/2.\end{array}\right.\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula> 
□</p></statement></p>
<p><statement id="j_vmsta314_stat_037"><label>Proof of Proposition 2.6.</label>
<p>Since <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_681"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$p=0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, the map is <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_682"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">f</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$f(x)=0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> on <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_683"><alternatives><mml:math>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">[</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">]</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$[0,c]$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_684"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">f</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$f(x)=q(x-c)$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> on <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_685"><alternatives><mml:math>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">[</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">]</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$[c,1]$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. As <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_686"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">f</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$f(x)\lt x$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> on <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_687"><alternatives><mml:math>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">]</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$(0,1]$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>—for <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_688"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$x\ge c$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_689"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">f</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$x-f(x)\ge \Delta \gt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>—a minimizing path may be taken nondecreasing, <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_690"><alternatives><mml:math>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>≤</mml:mo>
<mml:mo>⋯</mml:mo>
<mml:mo>≤</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$0={y_{0}}\le \cdots \le {y_{N}}=1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>.</p>
<p>Let <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_691"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo>min</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">{</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">}</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[${j_{0}}=\min \{j\ge 1:{y_{j}}\ge c\}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. The vertices before <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_692"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${j_{0}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> lie in <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_693"><alternatives><mml:math>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">[</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$[0,c)$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, where <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_694"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">f</mml:mi>
<mml:mo>≡</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$f\equiv 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, so
<disp-formula id="j_vmsta314_eq_066">
<alternatives><mml:math display="block">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:munderover>
<mml:mrow>
<mml:mo largeop="true" movablelimits="false">∑</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo fence="true" stretchy="true" maxsize="12.09pt" minsize="12.09pt">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">f</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo fence="true" stretchy="true" maxsize="12.09pt" minsize="12.09pt">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:munderover>
<mml:mrow>
<mml:mo largeop="true" movablelimits="false">∑</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[\[\frac{1}{2}{\sum \limits_{j=1}^{{j_{0}}}}{\Bigl({y_{j}}-f({y_{j-1}})\Bigr)^{2}}=\frac{1}{2}{\sum \limits_{j=1}^{{j_{0}}}}{y_{j}^{2}}\ge \frac{1}{2}{y_{{j_{0}}}^{2}},\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula>
which is the cost of a single step from <italic>c</italic> to <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_695"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${y_{{j_{0}}}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> under <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_696"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">g</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$g(x)=q(x-c)$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, since <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_697"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">g</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$g(c)=0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. As the remaining vertices lie in <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_698"><alternatives><mml:math>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">[</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">]</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$[c,1]$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, where <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_699"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">f</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">g</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$f=g$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, the path costs at least the <italic>l</italic>-step value <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_700"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[${J_{l}}(c,1)$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> with <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_701"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">l</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$l=N-{j_{0}}+1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>; conversely each admissible <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_702"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>≤</mml:mo>
<mml:mo>⋯</mml:mo>
<mml:mo>≤</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$c={x_{0}}\le \cdots \le {x_{l}}=1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> gives the admissible path <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_703"><alternatives><mml:math>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>…</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[$0,{x_{1}},\dots ,{x_{l}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> of equal cost. Hence <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_704"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">f</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>inf</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">l</mml:mi>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$S(f)={\inf _{l\ge 1}}{J_{l}}(c,1)$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>.</p>
<p>We apply Lemma <xref rid="j_vmsta314_stat_008">3.1</xref> on <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_705"><alternatives><mml:math>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">[</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">]</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$[c,1]$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> with slope <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_706"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$\alpha =q$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. The endpoint gaps <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_707"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[${d_{c}}=c$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_708"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[${d_{1}}=\Delta $]]></tex-math></alternatives></inline-formula> are positive, and <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_709"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[${d_{c}}-{d_{1}}=(q-1)(1-c)\gt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, so <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_710"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>log</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[${\log _{q}}(c/\Delta )\gt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. By (<xref rid="j_vmsta314_eq_022">3.1</xref>) and (<xref rid="j_vmsta314_eq_025">3.4</xref>), the <italic>l</italic>-step value <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_711"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">[</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">]</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[${J_{l}}(c,1)=(1+q){(\Delta -c{q^{l}})^{2}}/[2(1-q)(1-{q^{2l}})]$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> is unimodal in <italic>l</italic>, with integer minimum at one of <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_712"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[${n_{0}},{n_{0}}+1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, where <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_713"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo>max</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">{</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">⌊</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>log</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">⌋</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">}</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[${n_{0}}=\max \{1,\lfloor {\log _{q}}(c/\Delta )\rfloor \}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. Thus <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_714"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">f</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$S(f)$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> is the stated minimum of <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_715"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[${J_{l}}(c,1)$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> over <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_716"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">l</mml:mi>
<mml:mo>∈</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">{</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">}</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$l\in \{{n_{0}},{n_{0}}+1\}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, realised by the minimizing path itself; in contrast with the preceding cases, the infimum is attained at a finite horizon. □</p></statement></p>
<p><statement id="j_vmsta314_stat_038"><label>Proof of Proposition 2.7.</label>
<p>Since <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_717"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$\Delta =0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, we have <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_718"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$c(q-p)=q-1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_719"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$q\gt 1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. Moreover, <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_720"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">[</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">]</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[${c_{0}}-c=(1-{p^{2}})/[(1+q)(q-p)]\gt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. For paths hitting <italic>c</italic>, affine minimization gives the left and right block infima <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_721"><alternatives><mml:math>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$(1-{p^{2}}){c^{2}}/2$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_722"><alternatives><mml:math>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">[</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">]</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$(1+q){c^{2}}{(1-p)^{2}}/[2(q-1)]$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>; their sum is <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_723"><alternatives><mml:math><mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo largeop="false" movablelimits="false">ˆ</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mover>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$\hat{S}=c(1-p)$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>.</p>
<p>In Case II, write <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_724"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${y_{k}}\lt c\lt {y_{k+1}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_725"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$m=N-k-1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. The calculation of Lemma <xref rid="j_vmsta314_stat_014">5.1</xref> gives <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_726"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold">y</mml:mi>
<mml:mo>;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">f</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${I_{N}}(\mathbf{y};f)\ge S(m,k)\ge {S_{m}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, where
<disp-formula id="j_vmsta314_eq_067">
<alternatives><mml:math display="block">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo fence="true" stretchy="true">(</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo fence="true" stretchy="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>↓</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mspace width="10.0pt"/>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>→</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">.</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[\[{S_{m}}={\left(\frac{2(1-{q^{-2m}})}{{q^{2}}-1}+\frac{2}{1-{p^{2}}}\right)^{-1}}\downarrow \frac{(1-{p^{2}})({q^{2}}-1)}{2({q^{2}}-{p^{2}})}\hspace{10.0pt}(m\to \mathrm{\infty }).\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula>
For <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_727"><alternatives><mml:math>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$0\lt p\lt 1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_728"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>↓</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[$S(m,k)\downarrow {S_{m}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> as <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_729"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>→</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$k\to \mathrm{\infty }$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>; for <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_730"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$p=0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_731"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[$S(m,0)={S_{m}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>.</p>
<p>For <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_732"><alternatives><mml:math>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$0\lt p\lt 1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, the equality coordinates (<xref rid="j_vmsta314_eq_049">5.6</xref>)–(<xref rid="j_vmsta314_eq_050">5.7</xref>), as <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_733"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>→</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$k\to \mathrm{\infty }$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and then <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_734"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>→</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$m\to \mathrm{\infty }$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, approach <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_735"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$p({q^{2}}-1)/({q^{2}}-{p^{2}})\lt c$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_736"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$c\lt ({q^{2}}-1)/({q^{2}}-{p^{2}})\lt 1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, respectively. Thus, for sufficiently large <italic>m</italic> and then sufficiently large <italic>k</italic>, the crossing constraints hold. Both affine blocks are increasing by Lemma <xref rid="j_vmsta314_stat_008">3.1</xref>, so these equality paths are admissible and their actions approach <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_737"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>lim</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${\lim \nolimits_{m}}{S_{m}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. For <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_738"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$p=0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, take <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_739"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$k=0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>: then <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_740"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>∈</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[${y_{1}}=2{S_{m}}\in (c,1)$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> for <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_741"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$m\ge 1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, and the right block is increasing by Lemma <xref rid="j_vmsta314_stat_008">3.1</xref>. Hence these paths are also admissible and approach the same limit.</p>
<p>Finally, <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_742"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$c=(q-1)/(q-p)$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> gives
<disp-formula id="j_vmsta314_eq_068">
<alternatives><mml:math display="block"><mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo largeop="true" movablelimits="false">ˆ</mml:mo></mml:mstyle>
</mml:mrow>
</mml:mover>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>lim</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>→</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">.</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[\[\hat{S}-\lim \limits_{m\to \mathrm{\infty }}{S_{m}}=\frac{{(1-p)^{2}}{(q-1)^{2}}}{2({q^{2}}-{p^{2}})}\gt 0.\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula>
Thus <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_743"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">f</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>lim</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[$S(f)={\lim \nolimits_{m}}{S_{m}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, with <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_744"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo><mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo largeop="false" movablelimits="false">ˆ</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mover></mml:math><tex-math><![CDATA[${S_{m}}\lt \hat{S}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> for all sufficiently large <italic>m</italic>. Both classes have strictly larger finite-path costs, so the infimum is not attained. For <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_745"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$p=0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, substituting <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_746"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$q=1/(1-c)$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> yields <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_747"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">f</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$S(f)=c-{c^{2}}/2$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. □</p></statement></p>
</sec>
<sec id="j_vmsta314_s_015">
<label>9</label>
<title>Proofs of the feasibility and comparison lemmas</title>
<p>We prove the lemmas of Section <xref rid="j_vmsta314_s_012">6</xref> in the order in which the cases of Theorem <xref rid="j_vmsta314_stat_004">2.4</xref> invoke them.</p>
<p><statement id="j_vmsta314_stat_039"><label>Proof of Lemma 6.1.</label>
<p>Throughout, <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_748"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[$t={q^{m}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, and <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_749"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$\delta =c(q-p)\gt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_750"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$\lambda =({q^{2}}-{p^{2}})/(1-{p^{2}})\gt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> as in (<xref rid="j_vmsta314_eq_013">2.11</xref>) and (<xref rid="j_vmsta314_eq_056">5.12</xref>). As in Lemma <xref rid="j_vmsta314_stat_025">5.7</xref>, put
<disp-formula id="j_vmsta314_eq_069">
<alternatives><mml:math display="block">
<mml:mi mathvariant="italic">Y</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">δt</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mspace width="20.0pt"/>
<mml:mi mathvariant="italic">L</mml:mi>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mspace width="10.0pt"/>
<mml:mi mathvariant="italic">U</mml:mi>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[\[Y(t):={Y_{m}}=\frac{(1+q)t(\Delta -\mathit{\delta t})}{1-\lambda {t^{2}}},\hspace{20.0pt}L:=c(1-{p^{2}}),\hspace{10.0pt}U:=\frac{c(1-{p^{2}})}{p},\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula>
so that (<xref rid="j_vmsta314_eq_052">5.8</xref>) reads <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_751"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">L</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">Y</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">U</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$L\lt Y(t)\lt U$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. By Lemma <xref rid="j_vmsta314_stat_025">5.7</xref> the real minimizer <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_752"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${m_{0}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> is strictly feasible; hence the floor can only fall too far to the left and the ceiling only too far to the right. We treat the two failures separately, each time showing that the supposedly chosen integer is beaten by its neighbour.</p>
<p>Subtracting (<xref rid="j_vmsta314_eq_055">5.11</xref>) at <italic>m</italic> and <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_753"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$m+1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> gives
<disp-formula id="j_vmsta314_eq_070">
<label>(9.1)</label><alternatives><mml:math display="block">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">tP</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mspace width="20.0pt"/>
<mml:mi mathvariant="italic">P</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">qλδ</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="italic">.</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[\[{S_{m}}-{S_{m+1}}=\frac{-(1+q)\mathit{tP}(t)}{2(1-\lambda {t^{2}})(1-\lambda {q^{2}}{t^{2}})},\hspace{20.0pt}P(t)=2\delta \Delta -(1+q)({\delta ^{2}}+\lambda {\Delta ^{2}})t+2\mathit{q\lambda \delta }\Delta {t^{2}}.\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula>
For <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_754"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$p\lt q\lt 1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> we have <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_755"><alternatives><mml:math>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$0\lt \lambda \lt {q^{2}}\lt 1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_756"><alternatives><mml:math>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
<mml:mo>≤</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$0\lt t\le 1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, while for <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_757"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$q\gt 1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> we have <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_758"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$\lambda \gt {q^{2}}\gt 1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_759"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$t\ge 1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>; in both ranges the two denominator factors carry the same sign, so the denominator is positive and
<disp-formula id="j_vmsta314_eq_071">
<label>(9.2)</label><alternatives><mml:math display="block">
<mml:mi mathvariant="italic">P</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>⇒</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mspace width="20.0pt"/>
<mml:mi mathvariant="italic">P</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>⇒</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">.</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[\[P({q^{m}})\lt 0\Rightarrow {S_{m}}\gt {S_{m+1}},\hspace{20.0pt}P({q^{m}})\gt 0\Rightarrow {S_{m}}\lt {S_{m+1}}.\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula>
The quadratic <italic>P</italic> opens upward, <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_760"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">P</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$P(0)=2\delta \Delta \gt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, and at <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_761"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>∗</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[${t_{\ast }}:={\lambda ^{-1/2}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>,
<disp-formula id="j_vmsta314_eq_072">
<label>(9.3)</label><alternatives><mml:math display="block">
<mml:mi mathvariant="italic">P</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>∗</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:mspace width="1.67pt"/>
<mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>≤</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">.</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[\[P({t_{\ast }})=-\frac{(1+q){(\delta -\sqrt{\lambda }\hspace{1.67pt}\Delta )^{2}}}{\sqrt{\lambda }}\le 0.\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula>
We also record the upward-opening quadratic
<disp-formula id="j_vmsta314_eq_073">
<label>(9.4)</label><alternatives><mml:math display="block">
<mml:mi mathvariant="italic">Q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[\[Q(c)=(q-p)(1+q){c^{2}}+2(p-q)(p+q)c+(p+q)(q-1),\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula>
whose vertex is <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_762"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[${c_{0}}=(p+q)/(1+q)$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, with <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_763"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">Q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$Q({c_{0}})=({p^{2}}-1)(p+q)/(1+q)\lt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. If <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_764"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$p\lt q\lt 1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, the lemma allows <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_765"><alternatives><mml:math>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[$0\lt c\lt {c_{0}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_766"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">Q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$Q(0)=(p+q)(q-1)\lt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>; if <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_767"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$q\gt 1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, then <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_768"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$\Delta \gt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> forces <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_769"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$c\gt {c_{1}}:=(q-1)/(q-p)$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, the lemma allows <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_770"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${c_{1}}\lt c\lt {c_{0}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, and <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_771"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">Q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$Q({c_{1}})=-(1-{p^{2}})(q-1)/(q-p)\lt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. In both cases the admissible range lies to the left of the vertex, where <italic>Q</italic> decreases towards <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_772"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">Q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$Q({c_{0}})$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>; hence
<disp-formula id="j_vmsta314_eq_074">
<label>(9.5)</label><alternatives><mml:math display="block">
<mml:mi mathvariant="italic">Q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mspace width="10.0pt"/>
<mml:mrow>
<mml:mtext>throughout the range allowed by the lemma.</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math><tex-math><![CDATA[\[Q(c)\lt 0\hspace{10.0pt}\text{throughout the range allowed by the lemma.}\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula>
</p>
<p><bold>Case</bold> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_773"><alternatives><mml:math>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>∗</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">⌊</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">⌋</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[${m^{\ast }}=\lfloor {m_{0}}\rfloor $]]></tex-math></alternatives></inline-formula><bold>.</bold> If <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_774"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>∈</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${m_{0}}\in {\mathbb{Z}_{\ge 0}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> there is nothing to prove; otherwise put <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_775"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">⌊</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">⌋</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$n=\lfloor {m_{0}}\rfloor $]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_776"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[${t_{n}}={q^{n}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. If the floor is the better adjacent integer then <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_777"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>≤</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${S_{n}}\le {S_{n+1}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, so by (<xref rid="j_vmsta314_eq_071">9.2</xref>) it suffices to derive <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_778"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">P</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$P({t_{n}})\lt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> from the contrary assumption that <italic>n</italic> is infeasible on the left, i.e. <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_779"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
<mml:mo>≤</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[$n\le {m_{-}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, where <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_780"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${m_{-}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> is the left endpoint of the feasible component containing <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_781"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${m_{0}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. There the upper inequality is sharp, <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_782"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">Y</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">U</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$Y({t_{-}})=U$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> with <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_783"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[${t_{-}}={q^{{m_{-}}}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, equivalently <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_784"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[${G_{-}}({t_{-}})=0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, where <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_785"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">U</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">Y</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">U</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[${G_{-}}(t):=(1+q)(\Delta t-\delta {t^{2}})-U(1-\lambda {t^{2}})=(1-\lambda {t^{2}})(Y(t)-U)$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>.</p>
<p><italic>Claim 1:</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_786"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">P</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$P({t_{-}})\lt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula><italic>.</italic> The leading coefficient of <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_787"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${G_{-}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> is <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_788"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">Uλ</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">cq</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$\mathit{U\lambda }-(1+q)\delta =\mathit{cq}(1-p)(q-p)/p\gt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and its constant term is <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_789"><alternatives><mml:math>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">U</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$-U\lt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, so <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_790"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${G_{-}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> has a unique positive root, namely <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_791"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${t_{-}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, and <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_792"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">s</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[${G_{-}}(s)\lt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> for <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_793"><alternatives><mml:math>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">s</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[$0\lt s\lt {t_{-}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. Dividing the quadratic <italic>P</italic> by the quadratic <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_794"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${G_{-}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> leaves a linear remainder, so evaluation at the root gives
<disp-formula id="j_vmsta314_eq_075">
<label>(9.6)</label><alternatives><mml:math display="block">
<mml:mi mathvariant="italic">P</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">u</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">v</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mspace width="10.0pt"/>
<mml:mi mathvariant="italic">v</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mspace width="10.0pt"/>
<mml:mi mathvariant="italic">u</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">R</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[\[P({t_{-}})=u{t_{-}}+v,\hspace{10.0pt}v=\frac{2c\Delta (1+q)(q-p)}{1-p}\gt 0,\hspace{10.0pt}u=-\frac{(q+1)(q-p)}{{(1-p)^{2}}}R(c),\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula>
where <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_795"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">R</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[$R(c)=(q-p)(1+{q^{2}}-2p){c^{2}}+2(q-p)(p+q)(1-q)c+(p+q){(1-q)^{2}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. Grant for a moment that <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_796"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">u</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$u\lt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. Then <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_797"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">s</mml:mi>
<mml:mo>↦</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">us</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">v</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$s\mapsto \mathit{us}+v$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> is negative exactly for <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_798"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">s</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">v</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">u</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$s\gt -v/u$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, while <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_799"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${G_{-}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> is negative exactly to the left of <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_800"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${t_{-}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>; hence <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_801"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">P</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mspace width="2.78pt"/>
<mml:mo>⟺</mml:mo>
<mml:mspace width="2.78pt"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">v</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">u</mml:mi>
<mml:mspace width="2.78pt"/>
<mml:mo>⟺</mml:mo>
<mml:mspace width="2.78pt"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">v</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">u</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$P({t_{-}})\lt 0\hspace{2.78pt}\Longleftrightarrow \hspace{2.78pt}{t_{-}}\gt -v/u\hspace{2.78pt}\Longleftrightarrow \hspace{2.78pt}{G_{-}}(-v/u)\lt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. That <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_802"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">u</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$u\lt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, i.e. <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_803"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">R</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$R(c)\gt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>: for <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_804"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$p\lt q\lt 1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> every coefficient of <italic>R</italic> is positive, since <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_805"><alternatives><mml:math>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[$1+{q^{2}}-2p\gt 1+{q^{2}}-2q={(1-q)^{2}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>; for <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_806"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$q\gt 1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, the upward-opening <italic>R</italic> has vertex <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_807"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[${c_{R}}=(p+q)(q-1)/(1+{q^{2}}-2p)$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> with <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_808"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mo fence="true" stretchy="true" maxsize="12.09pt" minsize="12.09pt">(</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo fence="true" stretchy="true" maxsize="12.09pt" minsize="12.09pt">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[${c_{R}}-{c_{1}}=-{(1-p)^{2}}(q-1)/\Bigl((q-p)(1+{q^{2}}-2p)\Bigr)\lt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, so <italic>R</italic> increases on <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_809"><alternatives><mml:math>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$({c_{1}},\mathrm{\infty })$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_810"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">R</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">R</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$R(c)\gt R({c_{1}})={(1-p)^{2}}{(q-1)^{2}}/(q-p)\gt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. Finally, substituting (<xref rid="j_vmsta314_eq_075">9.6</xref>) and factoring gives the identity
<disp-formula id="j_vmsta314_eq_076">
<label>(9.7)</label><alternatives><mml:math display="block">
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">v</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">u</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi>
<mml:mspace width="1.67pt"/>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="1.67pt"/>
<mml:mi mathvariant="normal">Λ</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mspace width="1.67pt"/>
<mml:mi mathvariant="italic">Q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[\[{u^{2}}{G_{-}}(-v/u)=\kappa \hspace{1.67pt}c(1-c){(q-p)^{3}}{(q-1)^{2}}{(q+1)^{2}}\hspace{1.67pt}\Lambda (c)\hspace{1.67pt}Q(c),\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula>
where <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_811"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="normal">Λ</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$\Lambda (c):=c(q+1-2p)-(q-1)$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_812"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mo fence="true" stretchy="true" maxsize="12.09pt" minsize="12.09pt">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo fence="true" stretchy="true" maxsize="12.09pt" minsize="12.09pt">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$\kappa =1/\Bigl(p{(1-p)^{2}}\Bigr)\gt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. Here <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_813"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="normal">Λ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$\Lambda \gt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> in both parameter ranges: for <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_814"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$p\lt q\lt 1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> this is immediate from <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_815"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$q-1\lt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, and for <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_816"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$q\gt 1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> it follows from <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_817"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[$c\gt {c_{1}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_818"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$q+1-2p\gt q-p$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. Since <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_819"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">Q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$Q(c)\lt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> by (<xref rid="j_vmsta314_eq_074">9.5</xref>), the right-hand side of (<xref rid="j_vmsta314_eq_076">9.7</xref>) is negative, so <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_820"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">v</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">u</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[${G_{-}}(-v/u)\lt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and therefore
<disp-formula id="j_vmsta314_eq_077">
<label>(9.8)</label><alternatives><mml:math display="block">
<mml:mi mathvariant="italic">P</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">.</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[\[P({t_{-}})\lt 0.\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula>
</p>
<p>It remains to move this sign to <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_821"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${t_{n}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. If <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_822"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$q\lt 1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, then <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_823"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>∗</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[${t_{\ast }}\gt 1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_824"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
<mml:mo>≤</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[$n\le {m_{-}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> gives <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_825"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>≤</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>≤</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>∗</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${t_{-}}\le {t_{n}}\le 1\lt {t_{\ast }}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>; if <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_826"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$q\gt 1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, then <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_827"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>∗</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[${t_{\ast }}\lt 1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and the same assumption gives <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_828"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>∗</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>≤</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>≤</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${t_{\ast }}\lt 1\le {t_{n}}\le {t_{-}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. Either way <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_829"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${t_{n}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> lies between <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_830"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>∗</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${t_{\ast }}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_831"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${t_{-}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, where <italic>P</italic> is nonpositive at both ends by (<xref rid="j_vmsta314_eq_072">9.3</xref>) and (<xref rid="j_vmsta314_eq_077">9.8</xref>); convexity yields <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_832"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">P</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$P({t_{n}})\lt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, hence <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_833"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${S_{n}}\gt {S_{n+1}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> by (<xref rid="j_vmsta314_eq_071">9.2</xref>), a contradiction. Thus the floor, whenever it is chosen, is feasible.</p>
<p><bold>Case</bold> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_834"><alternatives><mml:math>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>∗</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">⌈</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">⌉</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[${m^{\ast }}=\lceil {m_{0}}\rceil $]]></tex-math></alternatives></inline-formula><bold>.</bold> With <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_835"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">⌊</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">⌋</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$n=\lfloor {m_{0}}\rfloor $]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, the ceiling <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_836"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$n+1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> satisfies its left inequality automatically, so it can only fail at the right endpoint, where <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_837"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">Y</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">L</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$Y(t)\gt L$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> is lost. If the ceiling is the better adjacent integer then <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_838"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>≤</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${S_{n+1}}\le {S_{n}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, so by (<xref rid="j_vmsta314_eq_071">9.2</xref>) it suffices to derive <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_839"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">P</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$P({t_{n}})\gt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> from the contrary assumption that the ceiling is infeasible at that right endpoint. The right boundary is a root <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_840"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>+</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>+</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[${t_{+}}={q^{{m_{+}}}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> of <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_841"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>+</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">L</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">Y</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">L</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[${G_{+}}(t):=(1+q)(\Delta t-\delta {t^{2}})-L(1-\lambda {t^{2}})=(1-\lambda {t^{2}})(Y(t)-L)$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, whose leading coefficient is <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_842"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">Lλ</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$\mathit{L\lambda }-(1+q)\delta =c(q-p)(p-1)\lt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, so <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_843"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>+</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${G_{+}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> opens downward; whenever it has real roots <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_844"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${\rho _{1}}\lt {\rho _{2}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, Vieta’s formulas <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_845"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">L</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mo fence="true" stretchy="true" maxsize="12.09pt" minsize="12.09pt">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">Lλ</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi>
<mml:mo fence="true" stretchy="true" maxsize="12.09pt" minsize="12.09pt">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[${\rho _{1}}{\rho _{2}}=-L/\Bigl(\mathit{L\lambda }-(1+q)\delta \Bigr)\gt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_846"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mo fence="true" stretchy="true" maxsize="12.09pt" minsize="12.09pt">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">Lλ</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi>
<mml:mo fence="true" stretchy="true" maxsize="12.09pt" minsize="12.09pt">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[${\rho _{1}}+{\rho _{2}}=-(1+q)\Delta /\Bigl(\mathit{L\lambda }-(1+q)\delta \Bigr)\gt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> show that both are positive, and <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_847"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>+</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[${G_{+}}\gt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> exactly on <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_848"><alternatives><mml:math>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$({\rho _{1}},{\rho _{2}})$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. Dividing <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_849"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">P</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$P(t/q)$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> by <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_850"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>+</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[${G_{+}}(t)$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> again leaves a linear remainder, so at each root
<disp-formula id="j_vmsta314_eq_078">
<label>(9.9)</label><alternatives><mml:math display="block">
<mml:mtable columnspacing="0pt" columnalign="right left">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">P</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mrow>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>+</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>+</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mspace width="10.0pt"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>+</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">cp</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>+</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mrow>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>+</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable></mml:math><tex-math><![CDATA[\[\begin{array}{r@{\hskip0pt}l}\displaystyle P({\rho _{i}}/q)& \displaystyle ={u_{+}}{\rho _{i}}+{v_{+}},\hspace{10.0pt}{v_{+}}=-\frac{2\mathit{cp}\Delta (1+q)(q-p)}{q(1-p)}\lt 0,\\ {} \displaystyle {u_{+}}& \displaystyle =\frac{(q-p)(1+q)}{q{(1-p)^{2}}}{R_{+}}(c),\end{array}\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula>
where <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_851"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>+</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo fence="true" stretchy="true" maxsize="12.09pt" minsize="12.09pt">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo fence="true" stretchy="true" maxsize="12.09pt" minsize="12.09pt">)</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[${R_{+}}(c)=(p+q){(1-q)^{2}}+2(q-p)(1-q)(p+q)c-(q-p)\Bigl(1-{q^{2}}-2p(1-p)\Bigr){c^{2}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>.</p>
<p><italic>The range</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_852"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$p\lt q\lt 1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula><italic>.</italic> Here <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_853"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[${t_{0}}={q^{{m_{0}}}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, so <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_854"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">Y</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">L</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$Y({t_{0}})\gt L$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> by the strict feasibility of <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_855"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${m_{0}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> (Lemma <xref rid="j_vmsta314_stat_025">5.7</xref>), and <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_856"><alternatives><mml:math>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$1-\lambda {t_{0}^{2}}\gt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> because <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_857"><alternatives><mml:math>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$0\lt {t_{0}}\lt 1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_858"><alternatives><mml:math>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$0\lt \lambda \lt 1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>; hence <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_859"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>+</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">Y</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">L</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[${G_{+}}({t_{0}})=(1-\lambda {t_{0}^{2}})(Y({t_{0}})-L)\gt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_860"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>∈</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[${t_{0}}\in ({\rho _{1}},{\rho _{2}})$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. The ceiling lies to the right of <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_861"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${m_{0}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, and <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_862"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$q\lt 1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> makes <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_863"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[$t={q^{m}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> decrease as <italic>m</italic> increases; so <italic>t</italic> leaves <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_864"><alternatives><mml:math>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$({\rho _{1}},{\rho _{2}})$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> through its left end, and the right endpoint of the component is <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_865"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>+</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${t_{+}}={\rho _{1}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, not <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_866"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${\rho _{2}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. Infeasibility of the ceiling means <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_867"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>+</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[$n+1\ge {m_{+}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, i.e. <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_868"><alternatives><mml:math>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>≤</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>+</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${q^{n+1}}\le {t_{+}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, i.e. <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_869"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>≤</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>+</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[${t_{n}}\le {t_{+}}/q$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. Since <italic>P</italic> opens upward with <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_870"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">P</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$P(0)\gt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_871"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">P</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>∗</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>≤</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$P({t_{\ast }})\le 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, it has a first zero <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_872"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>∈</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>∗</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">]</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[${r_{1}}\in (0,{t_{\ast }}]$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, and on <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_873"><alternatives><mml:math>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>∗</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">]</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$(0,{t_{\ast }}]$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> positivity of <italic>P</italic> occurs exactly to the left of <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_874"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${r_{1}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>; moreover <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_875"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>+</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[${t_{+}}\lt {t_{0}}\lt 1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_876"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[$\lambda \lt {q^{2}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> give <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_877"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>+</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>∗</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${t_{+}}/q\lt 1/q\lt {t_{\ast }}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. So it suffices to prove that <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_878"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">P</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>+</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$P({t_{+}}/q)\gt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, for then <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_879"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>+</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[${t_{+}}/q$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> lies to the left of <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_880"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${r_{1}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, and so does <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_881"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${t_{n}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>.</p>
<p>By (<xref rid="j_vmsta314_eq_078">9.9</xref>) with <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_882"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>+</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${\rho _{1}}={t_{+}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, and since <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_883"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>+</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[${v_{+}}\lt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, the inequality <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_884"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">P</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>+</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$P({t_{+}}/q)\gt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> is equivalent to <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_885"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>+</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[${u_{+}}\gt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> together with <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_886"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>+</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>+</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>+</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${t_{+}}\gt -{v_{+}}/{u_{+}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. Positivity of <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_887"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>+</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${u_{+}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> is positivity of <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_888"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>+</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${R_{+}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>: its derivative <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_889"><alternatives><mml:math>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>+</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>′</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo fence="true" stretchy="true" maxsize="12.09pt" minsize="12.09pt">(</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo fence="true" stretchy="true" maxsize="12.09pt" minsize="12.09pt">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[${R^{\prime }_{+}}(c)=2(q-p)\Bigl((1-q)(p+q)-c(1-{q^{2}}-2p(1-p))\Bigr)$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> has its linear factor positive at both <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_890"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$c=0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_891"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[$c={c_{0}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, so <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_892"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>+</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${R_{+}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> increases on <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_893"><alternatives><mml:math>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">[</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">]</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$[0,{c_{0}}]$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_894"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>+</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>+</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[${R_{+}}(c)\gt {R_{+}}(0)=(p+q){(1-q)^{2}}\gt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. Next, the same computation that gave (<xref rid="j_vmsta314_eq_076">9.7</xref>) yields the identical product for <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_895"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>+</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${G_{+}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, now with <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_896"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mo fence="true" stretchy="true" maxsize="12.09pt" minsize="12.09pt">(</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo fence="true" stretchy="true" maxsize="12.09pt" minsize="12.09pt">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$\kappa =1/\Bigl({q^{2}}{(1-p)^{2}}\Bigr)$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> in place of <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_897"><alternatives><mml:math>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mo fence="true" stretchy="true" maxsize="12.09pt" minsize="12.09pt">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo fence="true" stretchy="true" maxsize="12.09pt" minsize="12.09pt">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$1/\Bigl(p{(1-p)^{2}}\Bigr)$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>; hence <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_898"><alternatives><mml:math>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>+</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>+</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>+</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>+</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[${u_{+}^{2}}{G_{+}}(-{v_{+}}/{u_{+}})\lt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> by the same two signs <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_899"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="normal">Λ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$\Lambda \gt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_900"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">Q</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$Q\lt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. This places <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_901"><alternatives><mml:math>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>+</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>+</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[$-{v_{+}}/{u_{+}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> outside <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_902"><alternatives><mml:math>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">[</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">]</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$[{\rho _{1}},{\rho _{2}}]$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>; to exclude the far side, compare it with <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_903"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${t_{0}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. From (<xref rid="j_vmsta314_eq_078">9.9</xref>),
<disp-formula id="j_vmsta314_eq_079">
<alternatives><mml:math display="block">
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>+</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>+</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">cp</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>+</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mspace width="20.0pt"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[\[-\frac{{v_{+}}}{{u_{+}}}=\frac{2\mathit{cp}\Delta (1-p)}{{R_{+}}(c)},\hspace{20.0pt}{t_{0}}=\frac{\delta }{\lambda \Delta }=\frac{c(1-{p^{2}})}{(p+q)\Delta },\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula>
so <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_904"><alternatives><mml:math>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>+</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>+</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[$-{v_{+}}/{u_{+}}\lt {t_{0}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> is equivalent to <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_905"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>+</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[${R_{+}}(c)\gt 2p(p+q){\Delta ^{2}}/(1+p)$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, which is exactly the identity <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_906"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>+</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">Q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[${R_{+}}(c)-2p(p+q){\Delta ^{2}}/(1+p)=-(p-1)(q-1)Q(c)/(p+1)\gt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. As <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_907"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>∈</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[${t_{0}}\in ({\rho _{1}},{\rho _{2}})$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, the point <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_908"><alternatives><mml:math>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>+</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>+</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[$-{v_{+}}/{u_{+}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> must lie to the left of <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_909"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>+</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${\rho _{1}}={t_{+}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. Hence <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_910"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">P</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>+</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$P({t_{+}}/q)\gt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, so <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_911"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">P</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$P({t_{n}})\gt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_912"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${S_{n}}\lt {S_{n+1}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> by (<xref rid="j_vmsta314_eq_071">9.2</xref>), contradicting <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_913"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>≤</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${S_{n+1}}\le {S_{n}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>.</p>
<p><italic>The range</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_914"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$q\gt 1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula><italic>.</italic> Here <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_915"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${c_{1}}\lt c\lt {c_{0}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, and the discriminant of <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_916"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>+</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${G_{+}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> is <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_917"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="script">D</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$\mathcal{D}={(1+q)^{2}}{\Delta ^{2}}-4{c^{2}}(q-p){(1-p)^{2}}(1+p)$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. If <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_918"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="script">D</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$\mathcal{D}\lt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, then the downward-opening <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_919"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>+</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${G_{+}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> is negative everywhere; since <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_920"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$t\ge 1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_921"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$\lambda \gt {q^{2}}\gt 1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> give <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_922"><alternatives><mml:math>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$1-\lambda {t^{2}}\lt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, the identity <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_923"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>+</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">Y</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">L</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[${G_{+}}(t)=(1-\lambda {t^{2}})(Y(t)-L)$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> forces <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_924"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">Y</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">L</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$Y(t)\gt L$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> for every integer <italic>m</italic>, so the ceiling is automatically feasible. Assume therefore <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_925"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="script">D</mml:mi>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$\mathcal{D}\ge 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. Now <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_926"><alternatives><mml:math>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$1-\lambda {t^{2}}\lt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, so <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_927"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">Y</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">L</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$Y(t)\gt L$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> means <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_928"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>+</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[${G_{+}}(t)\lt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, i.e. <italic>t</italic> lies outside <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_929"><alternatives><mml:math>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">[</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">]</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$[{\rho _{1}},{\rho _{2}}]$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, and <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_930"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[$t={q^{m}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> increases with <italic>m</italic>. Hence a component contained in <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_931"><alternatives><mml:math>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$({\rho _{2}},\mathrm{\infty })$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> is unbounded to the right and has no finite endpoint, whereas on <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_932"><alternatives><mml:math>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$(0,{\rho _{1}})$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> the point <italic>t</italic> moves right towards <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_933"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${\rho _{1}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and leaves the component there. So again <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_934"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>+</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${t_{+}}={\rho _{1}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, and infeasibility of the ceiling gives <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_935"><alternatives><mml:math>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>+</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${q^{n+1}}\ge {t_{+}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, i.e. <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_936"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>+</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[${t_{n}}\ge {t_{+}}/q$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. Because <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_937"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[$\lambda \gt {q^{2}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> we have <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_938"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>∗</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[${t_{\ast }}\lt 1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. Since <italic>P</italic> opens upward with <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_939"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">P</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>∗</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>≤</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$P({t_{\ast }})\le 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> by (<xref rid="j_vmsta314_eq_072">9.3</xref>), its larger zero <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_940"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${r_{2}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> satisfies <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_941"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>∗</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${r_{2}}\ge {t_{\ast }}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, and for <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_942"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>∗</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[$t\gt {t_{\ast }}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> one has <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_943"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">P</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$P(t)\gt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> exactly when <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_944"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[$t\gt {r_{2}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>; the integer range <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_945"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>∗</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[$t\ge 1\gt {t_{\ast }}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> lies in that regime. Moreover <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_946"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>+</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[${m_{+}}\gt {m_{0}}\gt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> gives <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_947"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>+</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[${t_{+}}\gt 1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, and <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_948"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>∗</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$q{t_{\ast }}=q/\sqrt{\lambda }\lt 1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> gives <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_949"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>∗</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[${t_{\ast }}\lt 1/q$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, whence <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_950"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>+</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>∗</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${t_{+}}/q\gt 1/q\gt {t_{\ast }}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. Thus it again suffices to prove
<disp-formula id="j_vmsta314_eq_080">
<label>(9.10)</label><alternatives><mml:math display="block">
<mml:mi mathvariant="italic">P</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>+</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[\[P({t_{+}}/q)\gt 0,\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula>
for then <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_951"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>+</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${t_{+}}/q\gt {r_{2}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, and <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_952"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>+</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[${t_{n}}\ge {t_{+}}/q$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> gives <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_953"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${t_{n}}\gt {r_{2}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, i.e. <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_954"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">P</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$P({t_{n}})\gt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>.</p>
<p>We evaluate <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_955"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">P</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mo>⋅</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$P(\cdot /q)$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> at both roots at once. By (<xref rid="j_vmsta314_eq_078">9.9</xref>) and Vieta’s formulas,
<disp-formula id="j_vmsta314_eq_081">
<alternatives><mml:math display="block">
<mml:mtable columnspacing="0pt" columnalign="right left">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">P</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">P</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mrow>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>+</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>+</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>+</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>+</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd/>
<mml:mtd>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mrow>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">Q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable></mml:math><tex-math><![CDATA[\[\begin{array}{r@{\hskip0pt}l}\displaystyle P({\rho _{1}}/q)P({\rho _{2}}/q)& \displaystyle ={u_{+}^{2}}{\rho _{1}}{\rho _{2}}+{u_{+}}{v_{+}}({\rho _{1}}+{\rho _{2}})+{v_{+}^{2}}\\ {} & \displaystyle =\frac{(c-1){(p-q)^{2}}{(q-1)^{2}}{(q+1)^{2}}}{{q^{2}}{(p-1)^{3}}}{M_{1}}(c)Q(c),\end{array}\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula>
with <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_956"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">cp</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">cq</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[${M_{1}}(c)=2\mathit{cp}-\mathit{cq}-c+q-1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. The prefactor is positive, <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_957"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${M_{1}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> is linear and negative at both endpoints of <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_958"><alternatives><mml:math>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$({c_{1}},{c_{0}})$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, and <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_959"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">Q</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$Q\lt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> by (<xref rid="j_vmsta314_eq_074">9.5</xref>); hence
<disp-formula id="j_vmsta314_eq_082">
<label>(9.11)</label><alternatives><mml:math display="block">
<mml:mi mathvariant="italic">P</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">P</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[\[P({\rho _{1}}/q)P({\rho _{2}}/q)\gt 0,\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula>
so the two values share a sign. To identify it, take their sum:
<disp-formula id="j_vmsta314_eq_083">
<label>(9.12)</label><alternatives><mml:math display="block">
<mml:mtable columnalign="center">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">P</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">P</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>+</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>+</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo fence="true" stretchy="true" maxsize="12.09pt" minsize="12.09pt">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo fence="true" stretchy="true" maxsize="12.09pt" minsize="12.09pt">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">cq</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mspace width="1.67pt"/>
<mml:mi mathvariant="script">H</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">H</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi mathvariant="script">D</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="italic">.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable></mml:math><tex-math><![CDATA[\[\begin{array}{c}\displaystyle P({\rho _{1}}/q)+P({\rho _{2}}/q)={u_{+}}({\rho _{1}}+{\rho _{2}})+2{v_{+}}=\frac{(q+1)\Bigl(\delta -(q-1)\Bigr)}{\mathit{cq}{(1-p)^{3}}}\hspace{1.67pt}\mathcal{H}(c),\\ {} \displaystyle \mathcal{H}(c)={c_{0}}\mathcal{D}+\frac{{(p-1)^{2}}(q-p)(2p+q-1)(2p+1-q)}{q+1}{c^{2}}.\end{array}\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula> 
The prefactor is positive, because <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_960"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[$c\gt {c_{1}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> is equivalent to <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_961"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$\delta \gt q-1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. If <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_962"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$q\lt 2p+1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, the second term in (<xref rid="j_vmsta314_eq_083">9.12</xref>) is strictly positive, so <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_963"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="script">H</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$\mathcal{H}(c)\gt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> whenever <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_964"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="script">D</mml:mi>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$\mathcal{D}\ge 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. If <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_965"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$q\ge 2p+1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, the case <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_966"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="script">D</mml:mi>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$\mathcal{D}\ge 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> is empty: there <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_967"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="script">D</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$\mathcal{D}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> is an upward-opening quadratic in <italic>c</italic> with <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_968"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="script">D</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$\mathcal{D}({c_{1}})=4{(p-1)^{2}}(p+1){(q-1)^{2}}/(p-q)\lt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> (negative for every <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_969"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$q\gt p$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>) and <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_970"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="script">D</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo fence="true" stretchy="true" maxsize="12.09pt" minsize="12.09pt">[</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo fence="true" stretchy="true" maxsize="12.09pt" minsize="12.09pt">]</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$\mathcal{D}({c_{0}})={(1-p)^{2}}(1+p)\Bigl[(1+p)-4{(p+q)^{2}}(q-p)/{(1+q)^{2}}\Bigr]\lt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, the latter because <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_971"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$q\ge 2p+1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> gives <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_972"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$q-p\ge 1+p$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> while <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_973"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$q\gt 1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> gives <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_974"><alternatives><mml:math>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[$4{(p+q)^{2}}\gt {(1+q)^{2}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>; so by convexity <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_975"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="script">D</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$\mathcal{D}\lt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> throughout <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_976"><alternatives><mml:math>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$({c_{1}},{c_{0}})$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. In every nonempty case the sum is therefore positive, which together with (<xref rid="j_vmsta314_eq_082">9.11</xref>) gives <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_977"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">P</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$P({\rho _{i}}/q)\gt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> for <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_978"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">i</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$i=1,2$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. Since <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_979"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>+</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${t_{+}}={\rho _{1}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, this proves (<xref rid="j_vmsta314_eq_080">9.10</xref>).</p>
<p>Both alternatives are now covered, so the adjacent integer that minimizes <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_980"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${S_{m}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> satisfies (<xref rid="j_vmsta314_eq_052">5.8</xref>), as claimed. □</p></statement></p>
<p><statement id="j_vmsta314_stat_040"><label>Proof of Lemma 6.2.</label>
<p>We keep the notation of Lemma <xref rid="j_vmsta314_stat_030">6.1</xref>: <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_981"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[$t={q^{m}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, with <italic>δ</italic> and <italic>λ</italic> as in (<xref rid="j_vmsta314_eq_056">5.12</xref>) and (<xref rid="j_vmsta314_eq_013">2.11</xref>) – both negative in the present regime – and <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_982"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">Y</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">δt</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$Y(t)=(1+q)t(\Delta -\mathit{\delta t})/(1-\lambda {t^{2}})$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. Since <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_983"><alternatives><mml:math>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$0\lt q\lt 1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, increasing <italic>m</italic> moves <italic>t</italic> to the left. The limit feasibility condition is <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_984"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">Y</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$c(1-{p^{2}})\lt Y(t)\lt c(1-{p^{2}})/p$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>; let <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_985"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>+</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${t_{+}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_986"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${t_{-}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> be the two boundary points of the feasible interval, so that <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_987"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">Y</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>+</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$Y({t_{+}})=c(1-{p^{2}})$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_988"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">Y</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$Y({t_{-}})=c(1-{p^{2}})/p$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. The feasible interval in the <italic>m</italic>-variable has length less than one exactly when
<disp-formula id="j_vmsta314_eq_084">
<alternatives><mml:math display="block">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>+</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mspace width="10.0pt"/>
<mml:mo>⟺</mml:mo>
<mml:mspace width="10.0pt"/>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>+</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mspace width="10.0pt"/>
<mml:mo>⟺</mml:mo>
<mml:mspace width="10.0pt"/>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>+</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[\[{m_{+}}-{m_{-}}\lt 1\hspace{10.0pt}\Longleftrightarrow \hspace{10.0pt}\frac{{t_{+}}}{{t_{-}}}\gt q\hspace{10.0pt}\Longleftrightarrow \hspace{10.0pt}q{t_{-}}\lt {t_{+}},\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula>
and this last inequality is what we prove.</p>
<p><italic>Claim 1:</italic> <italic>Y</italic> <italic>is strictly increasing on</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_989"><alternatives><mml:math>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">]</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$(0,{t_{-}}]$]]></tex-math></alternatives></inline-formula><italic>; in particular</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_990"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>+</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>∈</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[${t_{+}}\in (0,{t_{-}})$]]></tex-math></alternatives></inline-formula><italic>.</italic> The upper boundary equation <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_991"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">Y</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$Y(t)=c(1-{p^{2}})/p$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> is equivalent to <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_992"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[${G_{-}}(t)=0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, where <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_993"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">δt</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[${G_{-}}(t):=\frac{c(1-{p^{2}})}{p}(1-\lambda {t^{2}})-(1+q)t(\Delta -\mathit{\delta t})$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, the negative of the <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_994"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${G_{-}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> of Lemma <xref rid="j_vmsta314_stat_030">6.1</xref> in the opposite regime. Its leading coefficient is <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_995"><alternatives><mml:math>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$-c(1-{p^{2}})\lambda /p+(1+q)\delta =c(p-q)q(1-p)/p\gt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, while <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_996"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[${G_{-}}(0)=c(1-{p^{2}})/p\gt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_997"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[${G_{-}}(1/q)=-(c-1)(q-1)(q+1)/q\lt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, so <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_998"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${t_{-}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> is the smaller positive root of this upward-opening quadratic and <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_999"><alternatives><mml:math>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>′</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[${G^{\prime }_{-}}({t_{-}})\lt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. Differentiating the identity <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1000"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo fence="true" stretchy="true" maxsize="12.09pt" minsize="12.09pt">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">Y</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo fence="true" stretchy="true" maxsize="12.09pt" minsize="12.09pt">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[${G_{-}}(t)=-(1-\lambda {t^{2}})\Bigl(Y(t)-c(1-{p^{2}})/p\Bigr)$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> at <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1001"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${t_{-}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> therefore gives <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1002"><alternatives><mml:math>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>′</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[${Y^{\prime }}({t_{-}})\gt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. Now <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1003"><alternatives><mml:math>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>′</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[${Y^{\prime }}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> has numerator <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1004"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">δt</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[$\Delta -2\mathit{\delta t}+\lambda \Delta {t^{2}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and positive denominator <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1005"><alternatives><mml:math>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[${(1-\lambda {t^{2}})^{2}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, so this numerator is <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1006"><alternatives><mml:math>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$\gt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> at <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1007"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${t_{-}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. It is a concave quadratic, its <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1008"><alternatives><mml:math>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[${t^{2}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>-coefficient <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1009"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$\lambda \Delta $]]></tex-math></alternatives></inline-formula> being negative, with value <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1010"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$\Delta \gt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> at <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1011"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$t=0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>; positive at both ends of <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1012"><alternatives><mml:math>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">[</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">]</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$[0,{t_{-}}]$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, it is positive throughout, so <italic>Y</italic> is strictly increasing on <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1013"><alternatives><mml:math>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">]</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$(0,{t_{-}}]$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. The same monotonicity and <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1014"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">Y</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">Y</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>+</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">Y</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$Y(0)=0\lt c(1-{p^{2}})=Y({t_{+}})\lt Y({t_{-}})$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> place <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1015"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>+</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>∈</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[${t_{+}}\in (0,{t_{-}})$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>.</p>
<p>By Claim 1 both <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1016"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[$q{t_{-}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1017"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>+</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${t_{+}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> lie in <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1018"><alternatives><mml:math>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">]</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$(0,{t_{-}}]$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, where <italic>Y</italic> is strictly increasing, so
<disp-formula id="j_vmsta314_eq_085">
<alternatives><mml:math display="block">
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>+</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mspace width="10.0pt"/>
<mml:mo>⟺</mml:mo>
<mml:mspace width="10.0pt"/>
<mml:mi mathvariant="italic">Y</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">Y</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>+</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">pY</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">.</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[\[q{t_{-}}\lt {t_{+}}\hspace{10.0pt}\Longleftrightarrow \hspace{10.0pt}Y(q{t_{-}})\lt Y({t_{+}})=c(1-{p^{2}})=\mathit{pY}({t_{-}}).\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula>
The lemma is thus reduced to the following claim.</p>
<p><italic>Claim 2:</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1019"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">Y</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">pY</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$Y(q{t_{-}})\lt \mathit{pY}({t_{-}})$]]></tex-math></alternatives></inline-formula><italic>.</italic> Reducing to a common denominator gives
<disp-formula id="j_vmsta314_eq_086">
<alternatives><mml:math display="block">
<mml:mtable columnspacing="0pt" columnalign="right left">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">pY</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">Y</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">qt</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mrow>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mspace width="1.67pt"/>
<mml:mi mathvariant="italic">W</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">W</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mrow>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">δt</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">δqt</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable></mml:math><tex-math><![CDATA[\[\begin{array}{r@{\hskip0pt}l}\displaystyle \mathit{pY}(t)-Y(\mathit{qt})& \displaystyle =\frac{(1+q)t}{(1-\lambda {t^{2}})(1-\lambda {q^{2}}{t^{2}})}\hspace{1.67pt}W(t),\\ {} \displaystyle W(t)& \displaystyle =p(\Delta -\mathit{\delta t})(1-\lambda {q^{2}}{t^{2}})-q(\Delta -\mathit{\delta qt})(1-\lambda {t^{2}}).\end{array}\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula>
Since <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1020"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$\lambda \lt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1021"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$t\gt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, the factor in front is positive, so <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1022"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">Y</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">qt</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">pY</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$Y(\mathit{qt})\lt \mathit{pY}(t)$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> if and only if <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1023"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">W</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$W(t)\gt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>; Claim 2 is thus the single sign <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1024"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">W</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$W({t_{-}})\gt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. Dividing the cubic <italic>W</italic> by the quadratic <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1025"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${G_{-}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> leaves a linear remainder, so at the root <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1026"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${t_{-}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>,
<disp-formula id="j_vmsta314_eq_087">
<alternatives><mml:math display="block">
<mml:mi mathvariant="italic">W</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">u</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">v</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mspace width="20.0pt"/>
<mml:mi mathvariant="italic">u</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">R</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mspace width="20.0pt"/>
<mml:mi mathvariant="italic">v</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">cp</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">cq</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[\[W({t_{-}})=u{t_{-}}+v,\hspace{20.0pt}u=-\frac{p(q+1)}{c{(p-1)^{2}}}R(c),\hspace{20.0pt}v=\frac{2p(q+1)(\mathit{cp}-\mathit{cq}+q-1)}{p-1},\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula>
where <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1027"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">R</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[$R(c):=(p-q)(2p-{q^{2}}-1){c^{2}}+2(q-1)(p-q)(p+q)c+(p+q){(q-1)^{2}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. Here <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1028"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">v</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$v\gt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, because <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1029"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">cp</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">cq</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$\mathit{cp}-\mathit{cq}+q-1\lt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1030"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$p-1\lt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. Moreover <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1031"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">R</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$R(c)\gt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> on <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1032"><alternatives><mml:math>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">[</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">]</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$[0,{c_{0}}]$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, whence <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1033"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">u</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$u\lt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. Indeed, the endpoint values are
<disp-formula id="j_vmsta314_eq_088">
<alternatives><mml:math display="block">
<mml:mi mathvariant="italic">R</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mspace width="20.0pt"/>
<mml:mi mathvariant="italic">R</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>;</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[\[R(0)=(p+q){(q-1)^{2}}\gt 0,\hspace{20.0pt}R({c_{0}})=\frac{{(p-1)^{2}}(p+q)(2p+{q^{2}}+1)}{{(q+1)^{2}}}\gt 0;\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula>
if the coefficient <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1034"><alternatives><mml:math>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$(p-q)(2p-{q^{2}}-1)$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> of <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1035"><alternatives><mml:math>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[${c^{2}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> is non-positive, then <italic>R</italic> is concave or linear and attains its minimum on <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1036"><alternatives><mml:math>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">[</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">]</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$[0,{c_{0}}]$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> at an endpoint, while if <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1037"><alternatives><mml:math>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$2p-{q^{2}}-1\gt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, then <italic>R</italic> opens upward with vertex <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1038"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[${c_{R}}=(1-q)(p+q)/(2p-{q^{2}}-1)$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, and <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1039"><alternatives><mml:math>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[$0\lt 2p-{q^{2}}-1\lt 1-{q^{2}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> gives <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1040"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[${c_{R}}/{c_{0}}=(1-{q^{2}})/(2p-{q^{2}}-1)\gt 1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, so <italic>R</italic> decreases on <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1041"><alternatives><mml:math>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">[</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">]</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$[0,{c_{0}}]$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> with minimum <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1042"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">R</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$R({c_{0}})\gt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>.</p>
<p>Since <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1043"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">u</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$u\lt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1044"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">v</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$v\gt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, the inequality <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1045"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">W</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$W({t_{-}})\gt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> is equivalent to <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1046"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>∗</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">v</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">u</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[${t_{-}}\lt {t^{\ast }}:=-v/u\gt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. Substituting <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1047"><alternatives><mml:math>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>∗</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[${t^{\ast }}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> into the boundary quadratic and multiplying by <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1048"><alternatives><mml:math>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[${u^{2}}\gt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>,
<disp-formula id="j_vmsta314_eq_089">
<alternatives><mml:math display="block">
<mml:mtable columnalign="center">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>∗</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">F</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">F</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">F</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">cp</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">cq</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">F</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable></mml:math><tex-math><![CDATA[\[\begin{array}{c}\displaystyle {u^{2}}{G_{-}}({t^{\ast }})=\frac{p{(q+1)^{2}}(c-1)(p-q){(q-1)^{2}}}{c{(p-1)^{2}}}{F_{1}}(c){F_{2}}(c),\\ {} \displaystyle {F_{1}}(c)=2\mathit{cp}-\mathit{cq}-c+q-1,\\ {} \displaystyle {F_{2}}(c)=-(p-q)(q+1){c^{2}}+2(p-q)(p+q)c+(p+q)(q-1).\end{array}\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula>
Both factors are negative for <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1049"><alternatives><mml:math>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[$0\lt c\lt {c_{0}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>: if <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1050"><alternatives><mml:math>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>≤</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$2p-q-1\le 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> then <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1051"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">F</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[${F_{1}}\lt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> outright, and otherwise <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1052"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">F</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${F_{1}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> increases in <italic>c</italic> with <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1053"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">F</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[${F_{1}}({c_{0}})=(p-1)(2p+1+q)/(q+1)\lt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>; and <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1054"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">F</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${F_{2}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> opens downward with vertex <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1055"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${c_{0}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, where <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1056"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">F</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[${F_{2}}({c_{0}})=(p-1)(p+1)(p+q)/(q+1)\lt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. As the prefactor is negative, <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1057"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>∗</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[${G_{-}}({t^{\ast }})\lt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. By Claim 1 the upward-opening <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1058"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${G_{-}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> is negative precisely between its two positive roots, of which <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1059"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${t_{-}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> is the smaller; hence <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1060"><alternatives><mml:math>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>∗</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${t^{\ast }}\gt {t_{-}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1061"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">W</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$W({t_{-}})\gt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. This proves Claim 2, and with it the lemma. □</p></statement></p>
<p><statement id="j_vmsta314_stat_041"><label>Proof of Lemma 6.3.</label>
<p>We keep the notation of Lemma <xref rid="j_vmsta314_stat_031">6.2</xref> and write <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1062"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[${n_{0}}=c(1-p)/\Delta $]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. Assume <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1063"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>∈</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="script">M</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$m\in \mathcal{M}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>; we must prove <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1064"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo><mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo largeop="false" movablelimits="false">ˆ</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mover></mml:math><tex-math><![CDATA[${S_{m}}\lt \hat{S}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. The comparison is governed by the real minimizer <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1065"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>log</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${\log _{q}}{n_{0}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> of the breakpoint sequence <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1066"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo largeop="false" movablelimits="false">ˆ</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${\hat{S}_{n}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, rather than by the critical point <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1067"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${m_{0}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> of <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1068"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${S_{m}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. Feasibility of <italic>m</italic> links the two: it forces <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1069"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[${n_{0}}/{q^{m}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> to lie between <italic>q</italic> and 1, so that <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1070"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>log</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${\log _{q}}{n_{0}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> lies between <italic>m</italic> and <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1071"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$m+1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>; hence <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1072"><alternatives><mml:math><mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo largeop="false" movablelimits="false">ˆ</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mover></mml:math><tex-math><![CDATA[$\hat{S}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> is decided by the two adjacent breakpoint values <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1073"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo largeop="false" movablelimits="false">ˆ</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${\hat{S}_{m}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1074"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo largeop="false" movablelimits="false">ˆ</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${\hat{S}_{m+1}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> (Claim 1), each of which we then show exceeds <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1075"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${S_{m}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> (Claim 2).</p>
<p><italic>Claim 1:</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1076"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>log</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$m\lt {\log _{q}}{n_{0}}\lt m+1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula><italic>; consequently</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1077"><alternatives><mml:math><mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo largeop="false" movablelimits="false">ˆ</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mover>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo>min</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">{</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo largeop="false" movablelimits="false">ˆ</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo largeop="false" movablelimits="false">ˆ</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">}</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$\hat{S}=\min \{{\hat{S}_{m}},{\hat{S}_{m+1}}\}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> <italic>when</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1078"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$m\ge 1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula><italic>, and</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1079"><alternatives><mml:math><mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo largeop="false" movablelimits="false">ˆ</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mover>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo largeop="false" movablelimits="false">ˆ</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[$\hat{S}={\hat{S}_{m+1}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> <italic>when</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1080"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$m=0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula><italic>.</italic> Write <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1081"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[$t={q^{m}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. Feasibility of <italic>m</italic> reads <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1082"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">Y</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$c(1-{p^{2}})\lt Y(t)\lt c(1-{p^{2}})/p$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>; substituting <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1083"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$c={n_{0}}\Delta /(1-p)$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and clearing positive denominators gives <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1084"><alternatives><mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:math><tex-math><![CDATA[$\frac{p(1+q)}{p+1+(p-q)q{t^{2}}}\lt \frac{{n_{0}}}{t}\lt \frac{1+q}{p+1-(p-q){t^{2}}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. The upper bound is at most 1, because <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1085"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$p+1-(p-q){t^{2}}-(1+q)=(p-q)(1-{t^{2}})\ge 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, while the lower bound exceeds <italic>q</italic>, because its denominator is positive and <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1086"><alternatives><mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$\frac{p(1+q)}{p+1+(p-q)q{t^{2}}}-q=\frac{(p-q)(1-{q^{2}}{t^{2}})}{p+1+(p-q)q{t^{2}}}\gt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> by <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1087"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$p\gt q$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1088"><alternatives><mml:math>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[${q^{2}}{t^{2}}={q^{2(m+1)}}\lt 1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. Hence <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1089"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$q\lt {n_{0}}/t\lt 1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, that is, <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1090"><alternatives><mml:math>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[${q^{m+1}}\lt {n_{0}}\lt {q^{m}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, equivalently <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1091"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>log</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$m\lt {\log _{q}}{n_{0}}\lt m+1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. By Lemma <xref rid="j_vmsta314_stat_008">3.1</xref> the real minimizer of <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1092"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo largeop="false" movablelimits="false">ˆ</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${\hat{S}_{n}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> is <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1093"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>log</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${\log _{q}}{n_{0}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. For <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1094"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$m\ge 1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> it lies in <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1095"><alternatives><mml:math>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$(m,m+1)$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, so the integer minimizer is <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1096"><alternatives><mml:math>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>∗</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[${n^{\ast }}=m$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1097"><alternatives><mml:math><mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo largeop="false" movablelimits="false">ˆ</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mover>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo>min</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">{</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo largeop="false" movablelimits="false">ˆ</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo largeop="false" movablelimits="false">ˆ</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">}</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$\hat{S}=\min \{{\hat{S}_{m}},{\hat{S}_{m+1}}\}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. For <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1098"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$m=0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> it lies in <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1099"><alternatives><mml:math>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$(0,1)$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, at or below the first admissible index <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1100"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$n=1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>; by the unimodality in Lemma <xref rid="j_vmsta314_stat_008">3.1</xref> the sequence <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1101"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo largeop="false" movablelimits="false">ˆ</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${\hat{S}_{n}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> is then increasing from <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1102"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$n=1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, so <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1103"><alternatives><mml:math><mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo largeop="false" movablelimits="false">ˆ</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mover>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo largeop="false" movablelimits="false">ˆ</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo largeop="false" movablelimits="false">ˆ</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[$\hat{S}={\hat{S}_{1}}={\hat{S}_{m+1}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>.</p>
<p><italic>Claim 2:</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1104"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo largeop="false" movablelimits="false">ˆ</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${S_{m}}\lt {\hat{S}_{m+1}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula><italic>, and if</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1105"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$m\ge 1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula><italic>, also</italic> <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1106"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo largeop="false" movablelimits="false">ˆ</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${S_{m}}\lt {\hat{S}_{m}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula><italic>.</italic> For <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1107"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$m\ge 1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> the second inequality is exactly Lemma <xref rid="j_vmsta314_stat_027">5.8</xref>: since <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1108"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>∈</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="script">M</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$m\in \mathcal{M}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, the lower feasibility inequality <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1109"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[$c(1-{p^{2}})\lt {Y_{m}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> in (<xref rid="j_vmsta314_eq_052">5.8</xref>) makes it strict (Remark <xref rid="j_vmsta314_stat_029">5.9</xref>), so <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1110"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo largeop="false" movablelimits="false">ˆ</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${\hat{S}_{m}}\gt {S_{m}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. For the first inequality, write <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1111"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[$t={q^{m}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1112"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo largeop="true" movablelimits="false">∑</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[${A_{m+1}}={\sum _{j=0}^{m}}{q^{2j}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. Since <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1113"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$\Delta -c(1-p){q^{m+1}}=(1-q)({N_{m+1}}-c{q^{m+1}})$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1114"><alternatives><mml:math>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[$1-{q^{2(m+1)}}=(1-{q^{2}}){A_{m+1}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, the right-hand term of <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1115"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo largeop="false" movablelimits="false">ˆ</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${\hat{S}_{m+1}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> in (<xref rid="j_vmsta314_eq_015">2.13</xref>) equals <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1116"><alternatives><mml:math>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[${({N_{m+1}}-c{q^{m+1}})^{2}}/(2{A_{m+1}})$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, and the recurrence <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1117"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[${N_{m+1}}={N_{m}}-c(p-q){q^{m}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> collapses its numerator to <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1118"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">cpt</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[${N_{m+1}}-c{q^{m+1}}={N_{m}}-\mathit{cpt}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. Thus <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1119"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo largeop="false" movablelimits="false">ˆ</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="false">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">cpt</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[${\hat{S}_{m+1}}=\frac{1}{2}(1-{p^{2}}){c^{2}}+{({N_{m}}-\mathit{cpt})^{2}}/(2{A_{m+1}})$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, and a common-denominator reduction against <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1120"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[${S_{m}}={N_{m}^{2}}/(2{D_{m}})$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, using <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1121"><alternatives><mml:math>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[$(1-{p^{2}}){A_{m+1}}=(1-{p^{2}}){D_{m}}-{p^{2}}{t^{2}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, gives
<disp-formula id="j_vmsta314_eq_090">
<label>(9.13)</label><alternatives><mml:math display="block">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo largeop="true" movablelimits="false">ˆ</mml:mo></mml:mstyle>
</mml:mrow>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo fence="true" stretchy="true" maxsize="12.09pt" minsize="12.09pt">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo fence="true" stretchy="true" maxsize="12.09pt" minsize="12.09pt">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mspace width="1.67pt"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">.</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[\[{\hat{S}_{m+1}}-{S_{m}}=\frac{{\Bigl(c(1-{p^{2}}){D_{m}}-p{N_{m}}{q^{m}}\Bigr)^{2}}}{2(1-{p^{2}}){D_{m}}\hspace{1.67pt}{A_{m+1}}}\ge 0.\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula>
The denominator is positive, and the upper feasibility inequality <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1122"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$p{Y_{m}}\lt c(1-{p^{2}})$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> forces <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1123"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>≠</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[$c(1-{p^{2}}){D_{m}}\ne p{N_{m}}{q^{m}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>; hence (<xref rid="j_vmsta314_eq_090">9.13</xref>) is strict, <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1124"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo largeop="false" movablelimits="false">ˆ</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${\hat{S}_{m+1}}\gt {S_{m}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>.</p>
<p>By Claim 1 every breakpoint value entering <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1125"><alternatives><mml:math><mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo largeop="false" movablelimits="false">ˆ</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mover></mml:math><tex-math><![CDATA[$\hat{S}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> is <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1126"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo largeop="false" movablelimits="false">ˆ</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${\hat{S}_{m}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> (only for <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1127"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$m\ge 1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>) or <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1128"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo largeop="false" movablelimits="false">ˆ</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${\hat{S}_{m+1}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, and by Claim 2 both exceed <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1129"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${S_{m}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. Hence <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1130"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo><mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo largeop="false" movablelimits="false">ˆ</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mover></mml:math><tex-math><![CDATA[${S_{m}}\lt \hat{S}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> for every <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1131"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>∈</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="script">M</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$m\in \mathcal{M}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>; in particular <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1132"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>∗</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo><mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo largeop="false" movablelimits="false">ˆ</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mover></mml:math><tex-math><![CDATA[${S_{{m^{\ast }}}}\lt \hat{S}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. □</p></statement></p>
<p><statement id="j_vmsta314_stat_042"><label>Proof of Lemma 6.4.</label>
<p>First assume <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1133"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$m\ge 1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, fix such a path, and set <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1134"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">u</mml:mi>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>∈</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">[</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$u:={y_{k}}\in [0,c)$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1135"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">v</mml:mi>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>∈</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">]</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$v:={y_{k+1}}\in (c,1]$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. Splitting the action at these two vertices: the <italic>k</italic> steps in <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1136"><alternatives><mml:math>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">[</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">]</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$[0,c]$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> contribute at least <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1137"><alternatives><mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[$\frac{1-{p^{2}}}{2}{u^{2}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> (trivially when <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1138"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$k=0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, and by Lemma <xref rid="j_vmsta314_stat_008">3.1</xref> with <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1139"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">px</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[${g_{p}}(x)=\mathit{px}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> when <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1140"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$k\ge 1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>), the step from <italic>u</italic> to <italic>v</italic> contributes <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1141"><alternatives><mml:math><mml:mstyle displaystyle="false">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">v</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">pu</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[$\frac{1}{2}{(v-\mathit{pu})^{2}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, and the <italic>m</italic> steps in <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1142"><alternatives><mml:math>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">[</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">]</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$[c,1]$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> contribute at least <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1143"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">v</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[${J_{m}}(v,1;{g_{q}})$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> (Lemma <xref rid="j_vmsta314_stat_008">3.1</xref>, with <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1144"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">qx</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[${g_{q}}(x)=\mathit{qx}+c(p-q)$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>). Hence <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1145"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold">y</mml:mi>
<mml:mo>;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">f</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">u</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">v</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">v</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">pu</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">v</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[${I_{N}}(\mathbf{y};f)\ge {\Phi _{m}}(u,v):=\frac{1-{p^{2}}}{2}{u^{2}}+\frac{1}{2}{(v-\mathit{pu})^{2}}+{J_{m}}(v,1;{g_{q}})$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, so <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1146"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold">y</mml:mi>
<mml:mo>;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">f</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>min</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${I_{N}}(\mathbf{y};f)\ge {\bar{S}_{m}}:={\min _{R}}{\Phi _{m}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> with <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1147"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">R</mml:mi>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">{</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">u</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">v</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>≤</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">u</mml:mi>
<mml:mo>≤</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo>≤</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">v</mml:mi>
<mml:mo>≤</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">}</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$R:=\{(u,v):0\le u\le c\le v\le 1\}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>; we prove <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1148"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>≥</mml:mo><mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo largeop="false" movablelimits="false">ˆ</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mover></mml:math><tex-math><![CDATA[${\bar{S}_{m}}\ge \hat{S}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> for <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1149"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>∉</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="script">M</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$m\notin \mathcal{M}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>.</p>
<p>The quadratic <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1150"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${\Phi _{m}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> is strictly convex. Minimizing first in <italic>u</italic>, <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1151"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="italic">∂</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">u</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">u</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">pv</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[${\partial _{u}}{\Phi _{m}}=u-\mathit{pv}=0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> gives <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1152"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">u</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">pv</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$u=\mathit{pv}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1153"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">pv</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">v</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">v</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[${\Phi _{m}}(\mathit{pv},v)=\frac{1-{p^{2}}}{2}{v^{2}}+{J_{m}}(v,1;{g_{q}})$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, a strictly convex function of <italic>v</italic> with unique minimizer <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1154"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>∗</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[${v_{\ast }}:={Y_{m}}/(1-{p^{2}})$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and value <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1155"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${S_{m}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> (Corollary <xref rid="j_vmsta314_stat_016">5.2</xref>). Thus the unconstrained minimizer of <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1156"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${\Phi _{m}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> is <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1157"><alternatives><mml:math>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>∗</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>∗</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$(p{v_{\ast }},{v_{\ast }})$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>; by (<xref rid="j_vmsta314_eq_052">5.8</xref>) it lies in the interior of <italic>R</italic> precisely when <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1158"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>∗</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$c\lt {v_{\ast }}\lt c/p$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, that is, when <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1159"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>∈</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="script">M</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$m\in \mathcal{M}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. Hence for <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1160"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>∉</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="script">M</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$m\notin \mathcal{M}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> the minimizer over <italic>R</italic> lies on the boundary, and two of the four sides are excluded, since at every boundary point
<disp-formula id="j_vmsta314_eq_091">
<alternatives><mml:math display="block">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="italic">∂</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">u</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">v</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">pv</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mspace width="10.0pt"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="italic">∂</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">v</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">u</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">pu</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">pc</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[\[{\partial _{u}}{\Phi _{m}}(0,v)=-\mathit{pv}\lt 0,\hspace{10.0pt}{\partial _{v}}{\Phi _{m}}(u,1)=(1-\mathit{pu})-\frac{(1+q){q^{m}}\Delta }{1+{q^{m}}}\ge (1-\mathit{pc})-q\Delta \gt 0,\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula>
the last inequality using <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1161"><alternatives><mml:math>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>≤</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$(1+q){q^{m}}/(1+{q^{m}})\le q$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> for <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1162"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$m\ge 1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1163"><alternatives><mml:math>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">pc</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$(1-\mathit{pc})-q\Delta =(1-p)(1-q)+(1-c)(p(1-q)+{q^{2}})\gt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. The first sign shows that <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1164"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${\Phi _{m}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> strictly decreases as one moves off the side <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1165"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">u</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$u=0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> into <italic>R</italic>, the second that it strictly increases toward the side <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1166"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">v</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$v=1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>; so the minimum lies on <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1167"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">u</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$u=c$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> or on <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1168"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">v</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$v=c$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. On the side <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1169"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">v</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$v=c$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>,
<disp-formula id="j_vmsta314_eq_092">
<alternatives><mml:math display="block">
<mml:mtable columnspacing="0pt" columnalign="right left">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mrow>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>min</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>≤</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">u</mml:mi>
<mml:mo>≤</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">u</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mrow>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>min</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>≤</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">u</mml:mi>
<mml:mo>≤</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:mo fence="true" stretchy="true" maxsize="18.09pt" minsize="18.09pt">{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">pu</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo fence="true" stretchy="true" maxsize="18.09pt" minsize="18.09pt">}</mml:mo>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd/>
<mml:mtd>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mrow>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo largeop="true" movablelimits="false">ˆ</mml:mo></mml:mstyle>
</mml:mrow>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>≥</mml:mo><mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo largeop="true" movablelimits="false">ˆ</mml:mo></mml:mstyle>
</mml:mrow>
</mml:mover>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable></mml:math><tex-math><![CDATA[\[\begin{array}{r@{\hskip0pt}l}\displaystyle \min \limits_{0\le u\le c}{\Phi _{m}}(u,c)& \displaystyle =\min \limits_{0\le u\le c}\Biggl\{\frac{1-{p^{2}}}{2}{u^{2}}+\frac{1}{2}{(c-\mathit{pu})^{2}}\Biggr\}+{J_{m}}(c,1;{g_{q}})\\ {} & \displaystyle =\frac{1-{p^{2}}}{2}{c^{2}}+{J_{m}}(c,1;{g_{q}})={\hat{S}_{m}}\ge \hat{S},\end{array}\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula>
the first minimum being attained at <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1170"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">u</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">pc</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$u=\mathit{pc}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>; and on the side <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1171"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">u</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$u=c$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, concatenating the transition from <italic>c</italic> to <italic>v</italic> with the unrestricted <italic>m</italic>-step fixed-endpoint path from <italic>v</italic> to 1,
<disp-formula id="j_vmsta314_eq_093">
<alternatives><mml:math display="block">
<mml:mtable columnspacing="0pt" columnalign="right left">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mrow>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>min</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo>≤</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">v</mml:mi>
<mml:mo>≤</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">v</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mrow>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>min</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo>≤</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">v</mml:mi>
<mml:mo>≤</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:mo fence="true" stretchy="true" maxsize="18.09pt" minsize="18.09pt">{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">v</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">pc</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">v</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo fence="true" stretchy="true" maxsize="18.09pt" minsize="18.09pt">}</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd/>
<mml:mtd>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mrow>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo largeop="true" movablelimits="false">ˆ</mml:mo></mml:mstyle>
</mml:mrow>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>≥</mml:mo><mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo largeop="true" movablelimits="false">ˆ</mml:mo></mml:mstyle>
</mml:mrow>
</mml:mover>
<mml:mo mathvariant="italic">.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable></mml:math><tex-math><![CDATA[\[\begin{array}{r@{\hskip0pt}l}\displaystyle \min \limits_{c\le v\le 1}{\Phi _{m}}(c,v)& \displaystyle =\frac{1-{p^{2}}}{2}{c^{2}}+\min \limits_{c\le v\le 1}\Biggl\{\frac{1}{2}{(v-\mathit{pc})^{2}}+{J_{m}}(v,1;{g_{q}})\Biggr\}\\ {} & \displaystyle \ge \frac{1-{p^{2}}}{2}{c^{2}}+{J_{m+1}}(c,1;{g_{q}})={\hat{S}_{m+1}}\ge \hat{S}.\end{array}\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula>
Thus every boundary minimum of <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1172"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${\Phi _{m}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> is at least <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1173"><alternatives><mml:math><mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo largeop="false" movablelimits="false">ˆ</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mover></mml:math><tex-math><![CDATA[$\hat{S}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, and therefore <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1174"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>≥</mml:mo><mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo largeop="false" movablelimits="false">ˆ</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mover></mml:math><tex-math><![CDATA[${\bar{S}_{m}}\ge \hat{S}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. For <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1175"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$m=0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> the right block is empty and <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1176"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">v</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$v={y_{N}}=1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, so the cost is a function of <italic>u</italic> alone; minimizing <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1177"><alternatives><mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">pu</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[$\frac{1-{p^{2}}}{2}{u^{2}}+\frac{1}{2}{(1-\mathit{pu})^{2}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> over <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1178"><alternatives><mml:math>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>≤</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">u</mml:mi>
<mml:mo>≤</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$0\le u\le c$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, with the minimum at <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1179"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">u</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$u=c$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> (forced by <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1180"><alternatives><mml:math>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>∉</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="script">M</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$0\notin \mathcal{M}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, i.e. <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1181"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo>≤</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$c\le p$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>), gives <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1182"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">pc</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo largeop="false" movablelimits="false">ˆ</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>≥</mml:mo><mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo largeop="false" movablelimits="false">ˆ</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mover></mml:math><tex-math><![CDATA[${\bar{S}_{0}}=\frac{1-{p^{2}}}{2}{c^{2}}+\frac{1}{2}{(1-\mathit{pc})^{2}}={\hat{S}_{1}}\ge \hat{S}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. Thus <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1183"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold">y</mml:mi>
<mml:mo>;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">f</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>≥</mml:mo><mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo largeop="false" movablelimits="false">ˆ</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mover></mml:math><tex-math><![CDATA[${I_{N}}(\mathbf{y};f)\ge \hat{S}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> for every such path when <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1184"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>∉</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="script">M</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$m\notin \mathcal{M}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. □</p></statement></p>
<p><statement id="j_vmsta314_stat_043"><label>Proof of Lemma 6.5.</label>
<p>Fix <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1185"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$m\ge 1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and write <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1186"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>∈</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">]</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$t={q^{m}}\in (0,q]$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. By Corollary <xref rid="j_vmsta314_stat_016">5.2</xref> the coordinate <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1187"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${y_{k+1}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> increases to <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1188"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[${Y_{m}}/(1-{p^{2}})$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> as <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1189"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>→</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$k\to \mathrm{\infty }$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, and in the limit <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1190"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${y_{k}}\lt c\lt {y_{k+1}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> holds exactly under the feasibility condition (<xref rid="j_vmsta314_eq_052">5.8</xref>). Since <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1191"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[${y_{k+1}}\lt {Y_{m}}/(1-{p^{2}})$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> at every finite <italic>k</italic>, a violation of the lower bound of (<xref rid="j_vmsta314_eq_052">5.8</xref>),
<disp-formula id="j_vmsta314_eq_094">
<label>(9.14)</label><alternatives><mml:math display="block">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[\[{Y_{m}}\lt c(1-{p^{2}}),\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula>
already forces <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1192"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[${y_{k+1}}\lt c$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> for all <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1193"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$k\ge 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>; it therefore suffices to prove (<xref rid="j_vmsta314_eq_094">9.14</xref>) for every <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1194"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>∈</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">]</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$t={q^{m}}\in (0,q]$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. Expressing <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1195"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${N_{m}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1196"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${D_{m}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> through <italic>t</italic> turns <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1197"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${Y_{m}}={N_{m}}{q^{m}}/{D_{m}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> into <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1198"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo fence="true" stretchy="true" maxsize="11.22pt" minsize="11.22pt">/</mml:mo>
<mml:mo fence="true" stretchy="true" maxsize="12.09pt" minsize="12.09pt">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo fence="true" stretchy="true" maxsize="12.09pt" minsize="12.09pt">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[${Y_{m}}=(1+q)t(\Delta +c(p-q)t)\Big/\Bigl(1-\frac{{q^{2}}-{p^{2}}}{1-{p^{2}}}{t^{2}}\Bigr)$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, whose denominator is positive because <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1199"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$q\lt p$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. Clearing it, (<xref rid="j_vmsta314_eq_094">9.14</xref>) is equivalent to <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1200"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">h</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$h(t)\gt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, where
<disp-formula id="j_vmsta314_eq_095">
<alternatives><mml:math display="block">
<mml:mtable columnspacing="0pt" columnalign="right left">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">h</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mrow>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo fence="true" stretchy="true" maxsize="12.09pt" minsize="12.09pt">[</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo fence="true" stretchy="true" maxsize="12.09pt" minsize="12.09pt">]</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd/>
<mml:mtd>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mrow>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="italic">.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable></mml:math><tex-math><![CDATA[\[\begin{array}{r@{\hskip0pt}l}\displaystyle h(t)& \displaystyle =c\Bigl[(1-{p^{2}})-({q^{2}}-{p^{2}}){t^{2}}\Bigr]-(1+q)t(\Delta +c(p-q)t)\\ {} & \displaystyle =c(1-{p^{2}})-(1+q)\Delta t-c(p-q)(1-p){t^{2}}.\end{array}\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula>
The quadratic <italic>h</italic> is concave in <italic>t</italic>, its <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1201"><alternatives><mml:math>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[${t^{2}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>-coefficient <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1202"><alternatives><mml:math>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$-c(p-q)(1-p)$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> being negative, so on <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1203"><alternatives><mml:math>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">[</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">]</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$[0,q]$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> it attains its minimum at an endpoint. At <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1204"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$t=0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> we have <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1205"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">h</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$h(0)=c(1-{p^{2}})\gt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, while at <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1206"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$t=q$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>
<disp-formula id="j_vmsta314_eq_096">
<alternatives><mml:math display="block">
<mml:mtable columnspacing="0pt" columnalign="right left">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">h</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mrow>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo fence="true" stretchy="true" maxsize="12.09pt" minsize="12.09pt">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">pq</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo fence="true" stretchy="true" maxsize="12.09pt" minsize="12.09pt">)</mml:mo>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo fence="true" stretchy="true" maxsize="12.09pt" minsize="12.09pt">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">pq</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo fence="true" stretchy="true" maxsize="12.09pt" minsize="12.09pt">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd/>
<mml:mtd>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mrow>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable></mml:math><tex-math><![CDATA[\[\begin{array}{r@{\hskip0pt}l}\displaystyle h(q)& \displaystyle =(1-{q^{2}})\Bigl(c(1-{p^{2}}+\mathit{pq})-q\Bigr)\ge (1-{q^{2}})\Bigl({c_{0}}(1-{p^{2}}+\mathit{pq})-q\Bigr)\\ {} & \displaystyle =(1-{q^{2}})\frac{(1-p)({p^{2}}+p-{q^{2}})}{1+q}\gt 0,\end{array}\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula>
where the first inequality uses <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1207"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[$c\ge {c_{0}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> together with <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1208"><alternatives><mml:math>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">pq</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$1-{p^{2}}+\mathit{pq}\gt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, and the last uses <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1209"><alternatives><mml:math>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[${p^{2}}+p-{q^{2}}\gt {p^{2}}\gt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. Hence <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1210"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">h</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$h\gt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> on <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1211"><alternatives><mml:math>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">[</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">]</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$[0,q]$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, which is (<xref rid="j_vmsta314_eq_094">9.14</xref>); therefore <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1212"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="italic">&lt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[${y_{k+1}}\lt c$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> for all <italic>k</italic>, and no pair <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1213"><alternatives><mml:math>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false" fence="true">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$(m,k)$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> with <inline-formula id="j_vmsta314_ineq_1214"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$m\ge 1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> is feasible. □</p></statement></p>
</sec>
</body>
<back>
<ack id="j_vmsta314_ack_001">
<title>Acknowledgements</title>
<p>The authors thank the anonymous reviewers for their careful reading and constructive comments, which helped improve the manuscript.</p></ack>
<sec id="j_vmsta314_s_016">
<title>Declaration of AI use</title>
<p>The authors used OpenAI’s Codex for text editing and polishing throughout the manuscript. For Proposition <xref rid="j_vmsta314_stat_007">2.7</xref> and Lemmas 6.1–6.5, the proof strategies were supplied by the authors, while Codex assisted with algebraic calculations and simplifications and with writing the corresponding arguments. The authors reviewed and corrected the AI-assisted material and take full responsibility for the paper.</p>
</sec>
<ref-list id="j_vmsta314_reflist_001">
<title>References</title>
<ref id="j_vmsta314_ref_001">
<label>[1]</label><mixed-citation publication-type="journal"><string-name><surname>Anděl</surname>, <given-names>J.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Netuka</surname>, <given-names>I.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Zvára</surname>, <given-names>K.</given-names></string-name>: <article-title>On threshold autoregressive processes</article-title>. <source>Kybernetika</source> <volume>20</volume>(<issue>2</issue>), <fpage>89</fpage>–<lpage>106</lpage> (<year>1984</year>). <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="http://www.ams.org/mathscinet-getitem?mr=0747062" xlink:type="simple">MR0747062</ext-link></mixed-citation>
</ref>
<ref id="j_vmsta314_ref_002">
<label>[2]</label><mixed-citation publication-type="journal"><string-name><surname>Basak</surname>, <given-names>G.K.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Ho</surname>, <given-names>K.-W.R.</given-names></string-name>: <article-title>Level-crossing probabilities and first-passage times for linear processes</article-title>. <source>Adv. Appl. Probab.</source> <volume>36</volume>(<issue>2</issue>), <fpage>643</fpage>–<lpage>666</lpage> (<year>2004</year>). <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="http://www.ams.org/mathscinet-getitem?mr=2058153" xlink:type="simple">MR2058153</ext-link>. <ext-link ext-link-type="doi" xlink:href="https://doi.org/10.1239/aap/1086957589" xlink:type="simple">https://doi.org/10.1239/aap/1086957589</ext-link></mixed-citation>
</ref>
<ref id="j_vmsta314_ref_003">
<label>[3]</label><mixed-citation publication-type="journal"><string-name><surname>Baumgarten</surname>, <given-names>C.</given-names></string-name>: <article-title>Survival probabilities of autoregressive processes</article-title>. <source>ESAIM, Probab. Stat.</source> <volume>18</volume>, <fpage>145</fpage>–<lpage>170</lpage> (<year>2014</year>). <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="http://www.ams.org/mathscinet-getitem?mr=3143737" xlink:type="simple">MR3143737</ext-link>. <ext-link ext-link-type="doi" xlink:href="https://doi.org/10.1051/ps/2013031" xlink:type="simple">https://doi.org/10.1051/ps/2013031</ext-link></mixed-citation>
</ref>
<ref id="j_vmsta314_ref_004">
<label>[4]</label><mixed-citation publication-type="journal"><string-name><surname>Di Nardo</surname>, <given-names>E.</given-names></string-name>: <article-title>On the first passage time for autoregressive processes</article-title>. <source>Sci. Math. Jpn.</source> <volume>21</volume>, <fpage>61</fpage>–<lpage>76</lpage> (<year>2008</year>). <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="http://www.ams.org/mathscinet-getitem?mr=2399804" xlink:type="simple">MR2399804</ext-link></mixed-citation>
</ref>
<ref id="j_vmsta314_ref_005">
<label>[5]</label><mixed-citation publication-type="journal"><string-name><surname>Hamza</surname>, <given-names>K.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Jagers</surname>, <given-names>P.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Klebaner</surname>, <given-names>F.C.</given-names></string-name>: <article-title>On the establishment, persistence, and inevitable extinction of populations</article-title>. <source>J. Math. Biol.</source> <volume>72</volume>(<issue>4</issue>), <fpage>797</fpage>–<lpage>820</lpage> (<year>2016</year>). <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="http://www.ams.org/mathscinet-getitem?mr=3459167" xlink:type="simple">MR3459167</ext-link>. <ext-link ext-link-type="doi" xlink:href="https://doi.org/10.1007/s00285-015-0903-2" xlink:type="simple">https://doi.org/10.1007/s00285-015-0903-2</ext-link></mixed-citation>
</ref>
<ref id="j_vmsta314_ref_006">
<label>[6]</label><mixed-citation publication-type="journal"><string-name><surname>Högnäs</surname>, <given-names>G.</given-names></string-name>: <article-title>On the quasi-stationary distribution of a stochastic Ricker model</article-title>. <source>Stoch. Process. Appl.</source> <volume>70</volume>(<issue>2</issue>), <fpage>243</fpage>–<lpage>263</lpage> (<year>1997</year>). <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="http://www.ams.org/mathscinet-getitem?mr=1475665" xlink:type="simple">MR1475665</ext-link>. <ext-link ext-link-type="doi" xlink:href="https://doi.org/10.1016/S0304-4149(97)00064-1" xlink:type="simple">https://doi.org/10.1016/S0304-4149(97)00064-1</ext-link></mixed-citation>
</ref>
<ref id="j_vmsta314_ref_007">
<label>[7]</label><mixed-citation publication-type="journal"><string-name><surname>Högnäs</surname>, <given-names>G.</given-names></string-name>: <article-title>On the lifetime of a size-dependent branching process</article-title>. <source>Stoch. Models</source> <volume>35</volume>(<issue>2</issue>), <fpage>119</fpage>–<lpage>131</lpage> (<year>2019</year>). <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="http://www.ams.org/mathscinet-getitem?mr=3969510" xlink:type="simple">MR3969510</ext-link>. <ext-link ext-link-type="doi" xlink:href="https://doi.org/10.1080/15326349.2019.1578241" xlink:type="simple">https://doi.org/10.1080/15326349.2019.1578241</ext-link></mixed-citation>
</ref>
<ref id="j_vmsta314_ref_008">
<label>[8]</label><mixed-citation publication-type="journal"><string-name><surname>Högnäs</surname>, <given-names>G.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Jung</surname>, <given-names>B.</given-names></string-name>: <article-title>Analysis of a stochastic difference equation: exit times and invariant distributions</article-title>. <source>Fasc. Math.</source> <volume>44</volume>, <fpage>69</fpage>–<lpage>74</lpage> (<year>2010</year>). <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="http://www.ams.org/mathscinet-getitem?mr=2722632" xlink:type="simple">MR2722632</ext-link></mixed-citation>
</ref>
<ref id="j_vmsta314_ref_009">
<label>[9]</label><mixed-citation publication-type="chapter"><string-name><surname>Högnäs</surname>, <given-names>G.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Jung</surname>, <given-names>B.</given-names></string-name>: <chapter-title>Exit times for some autoregressive processes with non-Gaussian noise distributions</chapter-title>. In: <source>Contemporary Mathematics</source>, vol. <volume>668</volume>, pp. <fpage>111</fpage>–<lpage>117</lpage>. <publisher-name>American Mathematical Society</publisher-name> (<year>2016</year>). <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="http://www.ams.org/mathscinet-getitem?mr=3536695" xlink:type="simple">MR3536695</ext-link>. <ext-link ext-link-type="doi" xlink:href="https://doi.org/10.1090/conm/668/13399" xlink:type="simple">https://doi.org/10.1090/conm/668/13399</ext-link></mixed-citation>
</ref>
<ref id="j_vmsta314_ref_010">
<label>[10]</label><mixed-citation publication-type="journal"><string-name><surname>Högnäs</surname>, <given-names>G.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Jung</surname>, <given-names>B.</given-names></string-name>: <article-title>Exit times for some nonlinear autoregressive processes</article-title>. <source>Mod. Stoch. Theory Appl.</source> <volume>12</volume>(<issue>4</issue>), <fpage>375</fpage>–<lpage>392</lpage> (<year>2025</year>). <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="http://www.ams.org/mathscinet-getitem?mr=4966214" xlink:type="simple">MR4966214</ext-link>. <ext-link ext-link-type="doi" xlink:href="https://doi.org/10.15559/25-vmsta277" xlink:type="simple">https://doi.org/10.15559/25-vmsta277</ext-link></mixed-citation>
</ref>
<ref id="j_vmsta314_ref_011">
<label>[11]</label><mixed-citation publication-type="journal"><string-name><surname>Jung</surname>, <given-names>B.</given-names></string-name>: <article-title>Exit times for multivariate autoregressive processes</article-title>. <source>Stoch. Process. Appl.</source> <volume>123</volume>(<issue>8</issue>), <fpage>3052</fpage>–<lpage>3063</lpage> (<year>2013</year>). <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="http://www.ams.org/mathscinet-getitem?mr=3062436" xlink:type="simple">MR3062436</ext-link>. <ext-link ext-link-type="doi" xlink:href="https://doi.org/10.1016/j.spa.2013.03.003" xlink:type="simple">https://doi.org/10.1016/j.spa.2013.03.003</ext-link></mixed-citation>
</ref>
<ref id="j_vmsta314_ref_012">
<label>[12]</label><mixed-citation publication-type="journal"><string-name><surname>Klebaner</surname>, <given-names>F.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Liptser</surname>, <given-names>R.</given-names></string-name>: <article-title>Large deviations for past-dependent recursions</article-title>. <source>Probl. Inf. Transm.</source> <volume>32</volume>(<issue>4</issue>), <fpage>23</fpage>–<lpage>34</lpage> (<year>1996</year>). <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="http://www.ams.org/mathscinet-getitem?mr=1441520" xlink:type="simple">MR1441520</ext-link></mixed-citation>
</ref>
<ref id="j_vmsta314_ref_013">
<label>[13]</label><mixed-citation publication-type="journal"><string-name><surname>Klebaner</surname>, <given-names>F.C.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Liptser</surname>, <given-names>R.</given-names></string-name>: <article-title>Moderate deviations for randomly perturbed dynamical systems</article-title>. <source>Stoch. Process. Appl.</source> <volume>80</volume>(<issue>2</issue>), <fpage>157</fpage>–<lpage>176</lpage> (<year>1999</year>). <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="http://www.ams.org/mathscinet-getitem?mr=1682255" xlink:type="simple">MR1682255</ext-link>. <ext-link ext-link-type="doi" xlink:href="https://doi.org/10.1016/S0304-4149(98)00075-1" xlink:type="simple">https://doi.org/10.1016/S0304-4149(98)00075-1</ext-link></mixed-citation>
</ref>
<ref id="j_vmsta314_ref_014">
<label>[14]</label><mixed-citation publication-type="journal"><string-name><surname>Koski</surname>, <given-names>T.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Jung</surname>, <given-names>B.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Högnäs</surname>, <given-names>G.</given-names></string-name>: <article-title>Exit times for ARMA processes</article-title>. <source>Adv. Appl. Probab.</source> <volume>50</volume>(<issue>A</issue>), <fpage>191</fpage>–<lpage>195</lpage> (<year>2018</year>). <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="http://www.ams.org/mathscinet-getitem?mr=3905100" xlink:type="simple">MR3905100</ext-link>. <ext-link ext-link-type="doi" xlink:href="https://doi.org/10.1017/apr.2018.79" xlink:type="simple">https://doi.org/10.1017/apr.2018.79</ext-link></mixed-citation>
</ref>
<ref id="j_vmsta314_ref_015">
<label>[15]</label><mixed-citation publication-type="journal"><string-name><surname>Novikov</surname>, <given-names>A.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Kordzakhia</surname>, <given-names>N.</given-names></string-name>: <article-title>Martingales and first passage times of AR(1) sequences</article-title>. <source>Stochastics</source> <volume>80</volume>(<issue>2–3</issue>), <fpage>197</fpage>–<lpage>210</lpage> (<year>2008</year>). <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="http://www.ams.org/mathscinet-getitem?mr=2402164" xlink:type="simple">MR2402164</ext-link>. <ext-link ext-link-type="doi" xlink:href="https://doi.org/10.1080/17442500701840885" xlink:type="simple">https://doi.org/10.1080/17442500701840885</ext-link></mixed-citation>
</ref>
<ref id="j_vmsta314_ref_016">
<label>[16]</label><mixed-citation publication-type="journal"><string-name><surname>Novikov</surname>, <given-names>A.A.</given-names></string-name>: <article-title>On the first passage time of an autoregressive process over a level and an application to a “disorder” problem</article-title>. <source>Theory Probab. Appl.</source> <volume>35</volume>(<issue>2</issue>), <fpage>269</fpage>–<lpage>279</lpage> (<year>1991</year>). <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="http://www.ams.org/mathscinet-getitem?mr=1069125" xlink:type="simple">MR1069125</ext-link>. <ext-link ext-link-type="doi" xlink:href="https://doi.org/10.1137/1135035" xlink:type="simple">https://doi.org/10.1137/1135035</ext-link></mixed-citation>
</ref>
<ref id="j_vmsta314_ref_017">
<label>[17]</label><mixed-citation publication-type="book"><string-name><surname>Varadhan</surname>, <given-names>S.R.S.</given-names></string-name>: <source>Large Deviations and Applications</source>. <publisher-name>Society for Industrial and Applied Mathematics</publisher-name> (<year>1984</year>). <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="http://www.ams.org/mathscinet-getitem?mr=0758258" xlink:type="simple">MR0758258</ext-link>. <ext-link ext-link-type="doi" xlink:href="https://doi.org/10.1137/1.9781611970241.bm" xlink:type="simple">https://doi.org/10.1137/1.9781611970241.bm</ext-link></mixed-citation>
</ref>
</ref-list>
</back>
</article>
