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21数列★★★★★
在数列 {an}\{a_{n}\} 中,a1=1a_{1} = 1,an+1=can+cn+1(2n+1)a_{n + 1} = c a_{n} + c^{n + 1}(2n + 1)(n∈N∗n \in \mathbf{N}^{*}),其中实数 c≠0c \neq 0.
(1) 求 {an}\{a_{n}\} 的通项公式; (2) 若对一切 k∈N∗k \in \mathbf{N}^* 有 a2k>a2k−1a_{2k} > a_{2k-1},求 cc 的取值范围.
\begin{solution} \begin{enumerate} \item 令 bn=ancnb_n=\frac{a_n}{c^n}. 由递推式得 bn+1=an+1cn+1=ancn+2n+1=bn+2n+1b_{n+1}=\frac{a_{n+1}}{c^{n+1}}=\frac{a_n}{c^n}+2n+1=b_n+2n+1,且 b1=1cb_1=\frac{1}{c}. 因此 bn=1c+∑j=1n−1(2j+1)=1c+n2−1b_n=\frac{1}{c}+\sum_{j=1}^{n-1}(2j+1)=\frac{1}{c}+n^2-1,从而 an=cnbn=cn−1(c(n2−1)+1)a_n=c^n b_n=c^{n-1}\left(c(n^2-1)+1\right). \item 由通项公式,
a2k−a2k−1=c2k−2((4k2−1)c2+(−4k2+4k+1)c−1)a_{2k}-a_{2k-1}=c^{2k-2}\left((4k^2-1)c^2+(-4k^2+4k+1)c-1\right)
由于 c2k−2>0c^{2k-2}>0,条件等价于 Dk(c)>0D_k(c)>0,其中 Dk(c)=(4k2−1)c2+(−4k2+4k+1)c−1D_k(c)=(4k^2-1)c^2+(-4k^2+4k+1)c-1. 特别地,D1(c)=3c2+c−1>0D_1(c)=3c^2+c-1>0,所以 c<−1−136c<\frac{-1-\sqrt{13}}{6} 或 c>−1+136c>\frac{-1+\sqrt{13}}{6}. 另一方面,直接计算得 Dk(c)=D1(c)+4(k−1)c((k+1)c−k)D_k(c)=D_1(c)+4(k-1)c((k+1)c-k). 当 c<−1−136<0c<\frac{-1-\sqrt{13}}{6}<0 时,后加项为正,故所有 Dk(c)>0D_k(c)>0. 当 c⩾1c\geqslant1 时,D1(c)>0D_1(c)>0,且后加项非负,故所有 Dk(c)>0D_k(c)>0. 若 0<c<10<c<1,则 Dk(c)(4k2)→c2−c<0D_k\frac{(c)}{(4k^2)}\to c^2-c<0,故充分大的 kk 使 Dk(c)<0D_k(c)<0;若 −1−136⩽c⩽0\frac{-1-\sqrt{13}}{6}\leqslant c\leqslant0,则 D1(c)⩽0D_1(c)\leqslant0,也不满足严格不等式. 综上,cc 的取值范围为 (−∞,−1−136)∪[1,+∞)\left(-\infty,\frac{-1-\sqrt{13}}{6}\right)\cup[1,+\infty). \end{enumerate} \end{solution}

2010 · 重庆 · 理 · 第 21 题 · 解答题

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