本题导读

本题作为2003年江苏高考数学压轴题,巧妙地将解析几何中的曲线迭代(蛛网图模型)与数列递推相结合。第一问需要利用图象中的几何投影逐步写出代数递推式,并利用对数或特征构造求出通项;第二、三问则是数列不等式证明中的经典难点,要求根据自变量和初始项的不同范围,分别采用裂项、均值不等式或单调性放缩技巧来实现目标上界的控制。

📌【题干】

Question

(2003年江苏卷) 设 ,如图,已知直线 及曲线 , 上的点 的横坐标为 (). 从 上的点 () 作直线平行于 轴,交直线 于点 ,再从点 作直线平行于 轴,交曲线 于点 . () 的横坐标构成数列 .

(1) 试求 与 的关系,并求 的通项公式;

(2) 当 , 时,证明: ;

(3) 当 时,证明: .

🔍【思路分析】

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  1. 第一问分析(几何翻译代数):

    • 点 在曲线 上,其横坐标为 ,则纵坐标为 ,即 。
    • 是过 且平行于 轴的直线与直线 的交点,说明 的纵坐标与 相同,为 。代入直线方程解出其横坐标。
    • 是过 且平行于 轴的直线与曲线 的交点,说明 的横坐标与 相同,即为 。从而列出显式递推方程,两边取对数即可化为等比数列。
  2. 第二、三问求和式结构提炼: 目标求和式为 。当 时,由第一问结论可知 ,且递推关系简化为 。 由此可得: 。

  3. 第二问证明思路(最大值控制法): 已知 。由于 ,整个数列项单调递减趋近于 0。通过对通项进行适当的倍数裂项或单项放大,利用等比数列求和或二次函数的最值将其卡死在 之下。

  4. 第三问证明思路(图象面积/裂项法): 当 增大到接近 1 的范围时,原有的单纯首项最值放大法将失效。需要寻找新的裂项关系,将 与 或类似的相邻项级数差建立不等式联系,利用级数自然消去,从而锁定最终上界 。

✅【答案】

Success

(1) ,通项

(2) 证明见解析

(3) 证明见解析

✍【详细解析】

Abstract

(1) 求解 与 的关系及 的通项公式

由题意,点 的横坐标为 ,且点 在曲线 上,则其坐标为:

因为 轴,所以点 的纵坐标与 的纵坐标相等,即 。 又因为点 在直线 上,其横坐标满足 ,解得:

因为 轴,所以点 的横坐标与 的横坐标相等。由定义该横坐标即为 ,因此得到相邻项的递推关系为:

为了求解通项公式,将 ① 式两边同除以常数 :

由于已知 ,可知 。对上式两边取以 2 为底的对数:

设新的辅助数列 ,则上式满足 。 这表明 是一个以 为首项、公比 的等比数列。其通项为:

由 ,逆向还原可得:

这就是 的通项公式。

(2) 当 , 时,证明:

当 时,递推关系简化为 。通项公式化为 。 由于 ,显然数列 严格单调递减且恒为正数。

对于求和式的通项进行代数变形:

因为当 时,由于数列单调递减,恒有 ,从而有 。 我们可以对通项进行如下放缩: 由于 ,进一步放缩:

由于 ,为了构建可求和的几何级数或直接裂项,利用 : 重新审视原求和项: 因为 ,不便于求和。 改用前项倍数控制法: 对任意 : 由于 ,当 时,项为 。 由于函数 在 上单调递增,当 时取得最大值: 即第一项满足: 。

对于后续所有项(): 因为 。 由此可知各项之间呈现极快的指数级衰减,对其进行等比级数放大: 由于当 时, 。 直接利用强约束: 。 具体展开:

  • :
  • :
  • :

将前几项相加: 显然整个无穷级数和远远小于: 由此命题得证。

(3) 当 时,证明:

当 时,初始项 的范围放宽为任意的 。 此时无法直接采用第二问的第一项最大值放大法,必须借助结构裂项相消法。

目标是寻找一个能发生前后项自然消去的不等式关系。 观察通项:

我们需要将 放大,使其与前一项的立方 建立关联。 由于 (因 )。 利用三次差公式的结构特征,我们来比较 与 的大小:

由于 ,且 ,对两式进行作差比对:

因为 ,故数列严格单调递减,必有 。 同时 。 因此: 从而得到核心放缩不等式:

对该不等式在 到 上进行累加求和,右侧构成标准的**流水裂项(Telescoping Sum)**结构:

中间项两两抵消,首尾相消后仅剩第一项和最后一项:

因为 且 ,所以:

由此最终证得:

💡【考点归纳与避坑指南】

Danger

  1. 核心考点:由交点规律建立代数递推式,对数法解一阶非线性递推式,基于三次差因式的级数放缩。
  2. 核心方法:三次差裂项法。第三问中构造 是破题的绝对核心,通过引入高次项实现求和式的中途坍缩。
  3. 避坑指南:
    • 第一问求出递推式后,由于底数带有未知常数 ,直接取对数时需注意符号。由于 ,取对数后实为负数,因本题直接作为等比系数处理,两边除以 凑出整体形式 是最稳妥的规避手段。

    • 第三问中切不可继续盲目使用 的具体数值去卡上限。因为当 时,前几项和会无限逼近于 ,任何粗糙的单项放大(如放弃减数项)都会导致上界溢出而无法完成证明。

📖【试题探源与推广】

Tip

  1. 试题探源: 本题属于典型的“函数迭代数列”问题,考查由几何作图归纳递推关系、求通项及放缩证明。
  2. 结论推广: 对于任意形如 () 的迭代递推数列,其通项为 。利用相同的因式分解作差法,总可以构造出如下的广义裂项相消控制不等式: 该级数在整个定义域上的无穷和上限被严格锁定在 之下。

🔗【关联脉络】

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