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22数列★★★★★
已知数列 {an}\{a_{n}\},an⩾0a_{n} \geqslant 0,a1=0a_{1} = 0,an+12+an+1−1=an2a_{n+1}^{2} + a_{n+1} - 1 = a_{n}^{2}(n∈N∗n \in \mathbf{N}^*). 记 Sn=a1+a2+⋯+anS_{n} = a_{1} + a_{2} + \cdots + a_{n},Tn=11+a1+1(1+a1)(1+a2)+⋯+1(1+a1)(1+a2)⋯(1+an)T_{n} = \frac{1}{1 + a_{1}} + \frac{1}{(1 + a_{1})(1 + a_{2})} + \cdots + \frac{1}{(1 + a_1)(1 + a_2)\cdots(1 + a_n)}. 求证:当 n∈N∗n\in \mathbf{N}^* 时,
(1) an<an+1a_{n} < a_{n + 1}; (2) Sn>n−2S_{n} > n - 2; (3) Tn<3T_{n} < 3.
\begin{solution} \begin{enumerate} \item 由 an⩾0a_n\geqslant0,递推式中的 an+1a_{n+1} 取非负根,故
an+1=−1+5+4an22a_{n+1}=\frac{-1+\sqrt{5+4a_n^2}}2
先证 0⩽an<10\leqslant a_n<1.a1=0<1a_1=0<1,若 0⩽an<10\leqslant a_n<1,则 5+4an2<95+4a_n^2<9,从而 0<an+1<10<a_{n+1}<1,归纳可得对一切 nn 都成立. 又因为两边均非负,
an+1>an⟺5+4an2>2an+1⟺5+4an2>(2an+1)2⟺an<1a_{n+1}>a_n\Longleftrightarrow\sqrt{5+4a_n^2}>2a_n+1 \Longleftrightarrow 5+4a_n^2>(2a_n+1)^2 \Longleftrightarrow a_n<1
所以 an<an+1a_n<a_{n+1}. \item a2a_2 是方程 x2+x−1=0x^2+x-1=0 的非负根,故 a2=5−12>12a_2=\frac{\sqrt5-1}{2}>\frac12.当 n=1n=1,22 时,分别有 S1=0>−1S_1=0>-1 和 S2=a2>0S_2=a_2>0.
当 k⩾3k\geqslant3 时,递推式可改写为
1−ak=ak2−ak−12=(ak−ak−1)(ak+ak−1)1-a_k=a_k^2-a_{k-1}^2=(a_k-a_{k-1})(a_k+a_{k-1})
由于数列递增且 a2>12a_2>\frac12,有 ak+ak−1>2a2>1a_k+a_{k-1}>2a_2>1,所以 1−ak<ak−ak−11-a_k<a_k-a_{k-1}.于是当 n⩾3n\geqslant3 时,
n−Sn=∑k=1n(1−ak)<1+(1−a2)+(an−a2)<3−2a2<2n-S_n=\sum_{k=1}^{n}(1-a_k) <1+(1-a_2)+(a_n-a_2)<3-2a_2<2
故 Sn>n−2S_n>n-2. \item 由 a1=0a_1=0 且数列递增,ak⩾a2a_k\geqslant a_2 对 k⩾2k\geqslant2 成立.因此
∏j=1k(1+aj)⩾(1+a2)k−1\prod_{j=1}^{k}(1+a_j)\geqslant(1+a_2)^{k-1}
从而
Tn⩽∑k=1n1(1+a2)k−1<∑k=1∞1(1+a2)k−1=1+a2a2=3+52<3T_n\leqslant\sum_{k=1}^{n}\frac1{(1+a_2)^{k-1}} <\sum_{k=1}^{\infty}\frac1{(1+a_2)^{k-1}} =\frac{1+a_2}{a_2}=\frac{3+\sqrt5}{2}<3
\end{enumerate} \end{solution}

2008 · 浙江 · 理 · 第 22 题 · 解答题

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