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20数列★★★★☆
已知数列 {an}\{a_{n}\} 满足 a1=1a_1 = 1,∣an+1−an∣=pn|a_{n + 1} - a_n| = p^n,n∈N∗n \in \mathbf{N}^*.
(1) 若 {an}\{a_n\} 是递增数列,且 a1a_1,2a22a_2,3a33a_3 成等差数列,求 pp 的值; (2) 若 p=12p = \frac{1}{2},且 {a2n−1}\{a_{2n-1}\} 是递增数列,{a2n}\{a_{2n}\} 是递减数列,求数列 {an}\{a_n\} 的通项公式.
\begin{solution} 因为 pn=∣an+1−an∣⩾0p^n=|a_{n+1}-a_n|\geqslant0 对任意正整数 nn 成立,且第一问中的数列递增,所以 p>0p>0. 于是 a2=1+pa_2=1+p,a3=1+p+p2a_3=1+p+p^2. 三个数 a1a_1,2a22a_2,3a33a_3 成等差数列,故
4a2=a1+3a34a_2=a_1+3a_3
代入上式得 4(1+p)=1+3(1+p+p2)4(1+p)=1+3(1+p+p^2),即 p(1−3p)=0p(1-3p)=0. 由 p>0p>0,得 p=13p=\frac13.
第二问中令 dn=an+1−and_n=a_{n+1}-a_n,则 ∣dn∣=2−n|d_n|=2^{-n}. 由奇数项组成的数列递增,
d2n−1+d2n=a2n+1−a2n−1>0d_{2n-1}+d_{2n}=a_{2n+1}-a_{2n-1}>0
由于 ∣d2n−1∣=2∣d2n∣|d_{2n-1}|=2|d_{2n}|,只能有 d2n−1=2−(2n−1)d_{2n-1}=2^{-(2n-1)}. 由偶数项组成的数列递减,
d2n+d2n+1=a2n+2−a2n<0d_{2n}+d_{2n+1}=a_{2n+2}-a_{2n}<0
由于 ∣d2n∣=2∣d2n+1∣|d_{2n}|=2|d_{2n+1}|,只能有 d2n=−2−2nd_{2n}=-2^{-2n}. 因而对所有 n⩾1n\geqslant1,
dn=(−1)n+12nd_n=\frac{(-1)^{n+1}}{2^n}
于是
an=1+∑k=1n−1(−1)k+12k=1+13(1−(−12)n−1)=43−(−1)n−13⋅2n−1a_n=1+\sum_{k=1}^{n-1}\frac{(-1)^{k+1}}{2^k} =1+\frac{1}{3}\left(1-\left(-\frac12\right)^{n-1}\right) =\frac43-\frac{(-1)^{n-1}}{3\cdot2^{n-1}}
\end{solution}

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