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19数列★★★★☆
已知函数 f(x)=x+3x+1f(x) = \frac{x+3}{x+1}(x≠−1x \ne -1). 设数列 {an}\{a_n\} 满足 a1=1a_1 = 1,an+1=f(an)a_{n+1} = f(a_n),数列 {bn}\{b_n\} 满足 bn=∣an−3∣b_n = |a_n - \sqrt{3}|,Sn=b1+b2+⋯+bnS_n = b_1 + b_2 + \cdots + b_n(n∈N∗n \in \mathbf{N}^*).
(1) 用数学归纳法证明:bn⩽(3−1)n2n−1b_n \leqslant \frac{(\sqrt{3} - 1)^n}{2^{n-1}}; (2) 证明:Sn<233S_n < \frac{2\sqrt{3}}{3}.
\begin{solution} \begin{enumerate} \item 记 r=3r=\sqrt3. 由于
an+1=an+3an+1=1+2an+1a_{n+1}=\frac{a_n+3}{a_n+1}=1+\frac2{a_n+1}
且 a1=1a_1=1,可归纳得到 an⩾1a_n\geqslant1 对一切正整数 nn 成立. 另外, an+1−r=(1−r)(an−r)an+1a_{n+1}-r=\dfrac{(1-r)(a_n-r)}{a_n+1}, 所以
bn+1=r−1an+1bn⩽r−12bn<12bnb_{n+1}=\frac{r-1}{a_n+1}b_n\leqslant\frac{r-1}{2}b_n<\frac12b_n
下面用数学归纳法证明 bn⩽(r−1)n2n−1b_n\leqslant\frac{(r-1)^n}{2^{n-1}}. 当 n=1n=1 时,b1=∣1−r∣=r−1b_1=|1-r|=r-1,结论成立. 假设当 n=kn=k 时结论成立,则
bk+1⩽r−12bk⩽r−12⋅(r−1)k2k−1=(r−1)k+12kb_{k+1}\leqslant\frac{r-1}{2}b_k\leqslant\frac{r-1}{2}\cdot\frac{(r-1)^k}{2^{k-1}}=\frac{(r-1)^{k+1}}{2^k}
因此结论对 k+1k+1 也成立,故对一切正整数 nn 成立.
\item 先算得 a2=f(1)=2a_2=f(1)=2. 又因为 f(x)=x+3x+1f(x)=\frac{x+3}{x+1} 在 [53,2][\frac53,2] 上递减,且 f(2)=53f(2)=\frac53,f(53)=74f\left(\frac53\right)=\frac74, 所以由归纳法可得 53⩽an⩽2\frac53\leqslant a_n\leqslant2 对一切 n⩾2n\geqslant2 成立. 对 n⩾2n\geqslant2,有
bn+1=r−1an+1bn⩽3(r−1)8bn<13bnb_{n+1}=\frac{r-1}{a_n+1}b_n\leqslant\frac{3(r-1)}8b_n<\frac13b_n
其中最后一个不等式由 3<179\sqrt3<\frac{17}{9} 得到. 因而 Sn<b1+b2(1+13+132+⋯ )S_n<b_1+b_2\left(1+\frac13+\frac1{3^2}+\cdots\right). 又 b1=r−1b_1=r-1,b2=∣2−r∣=2−rb_2=|2-r|=2-r,所以 Sn<r−1+32(2−r)=2−r2S_n<r-1+\frac32(2-r)=2-\frac r2. 最后,3>127\sqrt3>\frac{12}{7},从而 2−r2<2r32-\frac r2<\frac{2r}{3}. 故 Sn<233S_n<\frac{2\sqrt3}{3}. \end{enumerate} \end{solution}

2005 · 辽宁 · 第 19 题 · 解答题

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