本题导读
本题核心考查一阶非齐次线性递推数列通项公式的推导与证明,以及数列单调性约束下的参数范围求解。第一问要求证明给定的通项公式,可使用数学归纳法或构造法;第二问将单调递增条件转化为关于参数 的恒成立不等式,通过分离参数与最值分析求解。
📌【题干】
Question
(2003年辽宁卷) 设 为常数,且 ().
(1) 证明对任意 , ;
(2) 假设对任意 有 ,求 的取值范围.
🔍【思路分析】
破题导航
- 第一问证明:
- 方法一:数学归纳法。验证 时公式成立;假设 时公式成立,代入递推式 证明 时公式同样成立。
- 方法二:构造法。将递推式 两边同除以 或 进行构造,将其转化为等比数列求和。
- 第二问单调性分析:
将已知的递推关系式 代入目标不等式 中,消去 ,得到 ()。
调整下标,上述条件等价于对任意 ,恒有 。
将第一问求出的 通项公式代入不等式,利用分离参数法将含有 的项单独移至一边,区分 的奇偶性分析边界最值。
✅【答案】
Success
(1) 证明见解析
(2) 的取值范围为
✍【详细解析】
Abstract
(1) 证明对任意 ,
方法一:使用数学归纳法证明
① 当 时: 由已知递推式得 。 代入待证公式右边得: 左边等于右边,因此 时公式成立。
② 假设当 () 时公式成立,即:
则当 时,由递推关系式 代入假设:
对各项进行同底数幂及符号合并:
- 前两项:
- 第三项:
- 第四项:
组合整理得: 这表明当 时,公式同样成立。
根据 ①②,对任意 ,原通项公式成立。
(2) 假设对任意 有 ,求 的取值范围
将已知递推式 代入不等式 中:
调整计数下标,上式等价于:对任意 ,恒满足:
当 时,代入 ① 式得:
当 时,将第 (1) 问已证的 通项公式代入 ① 式:
两边同乘以 5 以消去分母:
移项,将含 的项保留在左边,其余项移到右边:
由于 ,且 ,上式化简为:
由于 的正负号随 的奇偶性交替变化,需对 的奇偶性进行分类讨论以分离参数 :
情况 A:当 为正奇数时 此时 。代入 ③ 式得: 两边同除以负数 ,切记改变不等号方向: 要使上式对所有正奇数 恒成立, 必须大于右侧代数式的最大值。 设 。因为 ,随着奇数 增大, 单调递增,故 单调递减。 因此, 的最大值在最小的正奇数 处取得: 由此解得:
情况 B:当 为正偶数时 此时 。代入 ③ 式得: 两边同除以正数 ,不等号方向不变: 要使上式对所有正偶数 恒成立, 必须小于右侧代数式的最小值。 设 。同理可知,由于 , 随偶数 的增大而单调递增。 因此, 的最小值在最小的正偶数 处取得: 由此解得:
取交集汇总求终值: 联立所有约束条件(②、④、⑤):
答: 的取值范围是 .
💡【考点归纳与避坑指南】
Danger
- 核心考点:数学归纳法的标准逻辑递推步(),数列下单调性代数变换,基于奇偶项分离的恒成立不等式最值锁定。
- 核心方法:分离参数法。
- 避坑指南:
第二问极易漏掉 对应的边界约束(即 ),如果漏掉此项,会导致最终错误作答为 。必须明确,单调性要求对任意 成立,当 时 直接给出 —— 这条下限恰好是 时 的退化边界的镜像。
分离参数时,面对 必须严格分奇偶讨论。在奇数段同除以负数时,切记要改变不等号的方向。
📖【试题探源与推广】
Tip
- 试题探源: 本题属于数列大板块中的高难度压轴解答题。侧重考查离散代数控制流,通过引入交替正负幂项,全面检验考生在多变量边界上的分类严谨度。
- 结论推广: 第一问给出的非齐次线性递推方程 ,其通项计算在高等数学中对应着一阶常系数线性差分方程(Difference Equation)。其通项由齐次通解 与特解 叠加而成。本题的代数框架在信号系统理论中属于典型的无限冲激响应(IIR)数字滤波器时域离散响应求解模型。
🔗【关联脉络】
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