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22数列★★★★★
设数列 {an}\{a_n\} 的前 nn 项和为 SnS_n,对任意的正整数 nn,都有 an=5Sn+1a_n = 5S_n + 1 成立,记 bn=4+an1−anb_n = \frac{4 + a_n}{1 - a_n}(n∈N∗n \in \mathbf{N}^{*}).
(1) 求数列 {an}\{a_n\} 与数列 {bn}\{b_n\} 的通项公式; (2) 设数列 {bn}\{b_n\} 的前 nn 项和为 RnR_n,是否存在正整数 kk,使得 Rn⩾4kR_n \geqslant 4k 成立?若存在,找出一个正整数 kk;若不存在,请说明理由; (3) 记 cn=b2n−b2n−1c_n = b_{2n} - b_{2n-1}(n∈N∗n \in \mathbf{N}^{*}),设数列 {cn}\{c_n\} 的前 nn 项和为 TnT_n,求证:对任意正整数 nn 都有 Tn<32T_n < \frac{3}{2}.
\begin{solution} \begin{enumerate} \item 当 n=1n=1 时,S1=a1S_1=a_1,所以 a1=5a1+1a_1=5a_1+1,a1=−14a_1=-\frac14. 又由 Sn+1=Sn+an+1S_{n+1}=S_n+a_{n+1} 及题设,得
an+1=5Sn+1+1=5Sn+5an+1+1a_{n+1}=5S_{n+1}+1=5S_n+5a_{n+1}+1
即 −4an+1=5Sn+1=an-4a_{n+1}=5S_n+1=a_n. 因此 an+1=−14ana_{n+1}=-\frac14a_n,an=(−14)na_n=\left(-\frac14\right)^n. 代入 bn=4+an1−anb_n=\frac{4+a_n}{1-a_n},得
bn=4+(−14)n1−(−14)nb_n=\frac{4+\left(-\frac14\right)^n}{1-\left(-\frac14\right)^n}
\item 由 a1=−14a_1=-\frac14,得
b1=4−141+14=3b_1=\frac{4-\frac14}{1+\frac14}=3
若存在正整数 kk 使任意正整数 nn 都有 Rn≥4kR_n\ge4k,取 n=1n=1 将得到 3=R1≥4k≥43=R_1\ge4k\ge4,矛盾. 因此不存在这样的正整数 kk.
\item 令 un=(14)2nu_n=\left(\frac14\right)^{2n},则 a2n=una_{2n}=u_n,a2n−1=−4una_{2n-1}=-4u_n,从而 b2n=4+un1−unb_{2n}=\frac{4+u_n}{1-u_n},b2n−1=4−4un1+4unb_{2n-1}=\frac{4-4u_n}{1+4u_n}. 所以
cn=b2n−b2n−1=25un(1−un)(1+4un)c_n=b_{2n}-b_{2n-1} =\frac{25u_n}{(1-u_n)(1+4u_n)}
因 0<un≤1160<u_n\le\frac1{16},有 (1−un)(1+4un)=1+un(3−4un)>1(1-u_n)(1+4u_n)=1+u_n(3-4u_n)>1,故 0<cn<25un0<c_n<25u_n. 当 n=1n=1 时,直接计算得 c1=43<32c_1=\frac43<\frac32. 当 n≥2n\ge2 时,
Tn=c1+∑j=2ncj<43+25∑j=2∞(116)j=43+548=2316<32T_n=c_1+\sum_{j=2}^{n}c_j <\frac43+25\sum_{j=2}^{\infty}\left(\frac1{16}\right)^j =\frac43+\frac5{48}=\frac{23}{16}<\frac32
因此对任意正整数 nn,都有 Tn<32T_n<\frac32. \end{enumerate} \end{solution}

2009 · 四川 · 文 · 第 22 题 · 解答题

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