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12数列★★★★☆
已知数列 {an}\{a_{n}\} 的首项 a1=ba_{1} = b(b≠0b \neq 0),它的前 nn 项的和 Sn=a1+a2+⋯+anS_{n} = a_{1} + a_{2} + \cdots + a_{n}(n⩾1n \geqslant 1),并且 S1S_{1},S2S_{2},⋯\cdots,SnS_{n},⋯\cdots 是一个等比数列,其公比为 pp(p≠0p \neq 0,∣p∣<1|p| < 1).
(1) 证明:a2a_{2},a3a_{3},⋯\cdots,ana_{n},⋯\cdots(即 {an}\{a_{n}\} 从第二项起)是一个等比数列; (2) 设 Wn=a1S1+a2S2+a3S3+⋯+anSnW_{n}=a_{1}S_{1}+a_{2}S_{2}+a_{3}S_{3}+\cdots+a_{n}S_{n}(n⩾1n\geqslant1),求 lim⁡n→∞Wn\displaystyle\lim_{n\to\infty}W_{n}(用 bb,pp 表示).
\begin{solution} \begin{enumerate} \item 因为 S1=a1=bS_{1}=a_{1}=b,且 S1S_{1},S2S_{2},…\ldots 是公比为 pp 的等比数列,所以 Sn=bpn−1S_{n}=bp^{n-1}. 对 n⩾2n\geqslant2,
an=Sn−Sn−1=bpn−2(p−1)a_{n}=S_{n}-S_{n-1}=bp^{n-2}(p-1)
由于 b≠0b\neq0、p≠0p\neq0 且 ∣p∣<1|p|<1,有 p≠1p\neq1,所以 an+1an=p\frac{a_{n+1}}{a_{n}}=p. 因而 a2a_{2},a3a_{3},…\ldots 是公比为 pp 的等比数列. \item a1S1=b2a_{1}S_{1}=b^{2}. 对 k⩾2k\geqslant2,
akSk=bpk−2(p−1)⋅bpk−1=b2(p−1)p2k−3a_{k}S_{k}=bp^{k-2}(p-1)\cdot bp^{k-1}=b^{2}(p-1)p^{2k-3}
当 n⩾2n\geqslant2 时,
Wn=b2+b2(p−1)p∑j=0n−2p2jW_{n}=b^{2}+b^{2}(p-1)p\sum_{j=0}^{n-2}p^{2j}
因为 ∣p∣<1|p|<1,所以
lim⁡n→∞Wn=b2+b2(p−1)p1−p2=b2−b2p1+p=b21+p\lim_{n\to\infty}W_{n}=b^{2}+\frac{b^{2}(p-1)p}{1-p^{2}}=b^{2}-\frac{b^{2}p}{1+p}=\frac{b^{2}}{1+p}
\end{enumerate} \end{solution}

1983 · 全国 · 理 · 第 12 题 · 解答题

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