设
m 个不全相等的正数
a1,
a2,
…,
am(
m⩾7)依次围成一个圆圈.
(1) 若
m=2009,且
a1,
a2,
…,
a1005 是公差为
d 的等差数列,而
a1,
a2009,
a2008,
…,
a1006 是公比为
q 的等比数列;数列
a1,
a2,
…,
am 的前
n 项和
Sn(
n⩽m)满足:
S3=15,
S2009=S2007+12a1,求通项
an(
n⩽m).
(2) 若每个数
an(
n⩽m)是其左右相邻两数平方的等比中项,求证:
a1+⋯+a6+a72+⋯+am2>ma1a2⋯am.
\begin{solution}
\begin{enumerate}
\item 由正数条件
q>0. 等比数列的排列顺序给出
a2009=a1q,
a2008=a1q2.
又
S2009−S2007=a2008+a2009=12a1
所以
q2+q=12. 结合
q>0,得
q=3.
令
a1=t. 前
1005 项为等差数列,且
S3=a1+(a1+d)+(a1+2d)=3a1+3d=15
故
d=5−t. 因而
an=t+(n−1)(5−t),
1⩽n⩽1005.
后面的等比数列按题目给出的次序为
an=t32010−n,
1006⩽n⩽2009.
为了保证等差部分各项为正,只需两端均为正,即
t>0,
t+1004(5−t)=5020−1003t>0.
所以题面条件得到的是一族数列
0<t<10035020,an={t+(n−1)(5−t),t32010−n,1⩽n⩽1005,1006⩽n⩽2009.
题面没有给出
d=q 或其他联系
d 与
q 的条件,因此不能唯一确定
t. 例如额外补充题面未出现的
d=q 时才得到
t=2,
d=3,这不能作为原题的必然结论.
\item 由于各项为正,“
an 是左右相邻两数平方的等比中项”表示
an2=an−12an+12
其中下标按圆圈循环. 于是
an=an−1an+1,
an+1=an−1an.
逐次使用后一关系,得到
ar+2=arar+1,
ar+3=ar1,
ar+4=ar+11,
ar+5=ar+1ar,
ar+6=ar.
所以数列具有六项周期.
若
m=6k+p,其中
0⩽p<6,圆周闭合又使数列具有
p 项周期. 若
p=1 或
p=5,所有项相等,设为
c,递推式给出
c=c2,因正数而
c=1. 若
p=2 或
p=4,奇数项均为
u、偶数项均为
v,递推式给出
u=v2、
v=u2,从而
u=v=1. 若
p=3,设三个周期值为
u,
v,
w,则
u=wv,
v=uw,
w=uv.
由前两式得
w=1,再由第三式得
u=v=1. 这些情形都与“不全相等”矛盾,故
m=6k.
将递推式对
n=1,
…,
m 相乘,设
P=a1a2⋯am,则
因
P>0,故
P=1. 由
a2=a1a3,
a3=a2a4,
a4=a3a5,
a5=a4a6
依次得到
a3=a1a2,
a4=a11,
a5=a21,
a6=a2a1.
因此
a1+a4⩾2,
a2+a5⩾2,
a3+a6⩾2.
三式同时取等号会导致
a1=a2=1,进而六项全为
1,再由六项周期与“不全相等”矛盾,所以
a1+⋯+a6>6
同样由平方的均值不等式,
a12+a42⩾2,
a22+a52⩾2,
a32+a62⩾2,
故
a12+⋯+a62⩾6. 因
m=6k 且六项周期,
a72+⋯+am2=(k−1)(a12+⋯+a62)⩾6(k−1)
于是
a1+⋯+a6+a72+⋯+am2>6+6(k−1)=6k=m=mP=ma1a2⋯am
证毕.
\end{enumerate}
\end{solution}