本题导读
本题考查数列的递推关系式。核心在于递推退项差分法、裂项放缩法的灵活运用。
📌【题干】
Question
(2004年全国卷III(理)) 已知数列 的前 项和 满足 .
(1) 写出数列 的前三项 ;
(2) 求数列 的通项公式;
(3) 证明:对任意的整数 ,有 .
🔍【思路分析】
破题导航
- 第(1)问突破口:利用 ,代入 方程直接求出 。随后利用 代入 求出 ,以此类推算出 。
- 第(2)问突破口:利用 ,写出下底项 。两式相减并应用 ,得到关于 与 的非齐次递推关系式: 。对此进行代数变形,两侧同除以 或通过构造辅助数列法化归为等比数列。
- 第(3)问突破口:将第(2)问求出的 倒数化,分析 的代数特征。当 较大时,该项呈现以 为分母的指数收敛形态。通过计算出前几项的具体数值(如 ),并对后续项进行形如 的几何级数裂项放缩,叠加强力控制求和,从而突破 的界限。
✅【答案】
Success
(1) ,,
(2)
(3) 证明见解析
✍【详细解析】
Abstract
(1) 解: 当 时, .由于 ,得: 当 时, .将 代入得: 当 时, .将 代入得:
综上,数列的前三项分别为: 。
(2) 解: 已知已知关系式: 当 时,退一项可得: (式1)减去(式2),并利用 得: 由于 ,代入化简得: 为了消除非常数项 ,两边同时除以 : 令 ,则上面的递推式变为: 利用累加法求 : 因为 ,所以上式可直接写为等比数列求和: 根据等比数列求和公式,首项为 ,公比为 : 由此还原通项 :
经检验,当 时, ,符合题意。 所以,数列 的通项公式为 。
(3) 证明: 由第(2)问可知通项为 。计算后续项的值:
对于任意的 ,分析通项分母特征进行精细放缩: 我们要对其倒数和进行上界估计: 当 为偶数时, ; 当 为奇数时, 。 因此,对任意 ,通项恒满足单边不等式: 考虑到分母 不利于等比求和或裂项,继续对其向外放大: 当 时,显然有 . 所以:
将此精细的几何级数放缩式代入待证求和式中。为了提高逼真度,我们可以精确保留前两项 与 的代数原值,从第六项开始放缩: 代入计算已知项: 对后面的级数项采用 进行上界替代: 括号内是一个首项为 ,公比为 的有限等比级数,利用大范围无限级数放大法: 合并总上界:
为了最终锁定与目标值 的大小关系,只需比较 与 的代数大小。 由于 , 显然有: 由此得证:对任意的整数 ,恒有 。
💡【考点归纳与避坑指南】
Danger
- 核心考点:由数列前 项和递推求解通项、除以因子消元构造等比数列、数列不等式的精细区间截断与几何级数放缩。
- 核心方法:差分退项法、累加法、指数底数放大法。
- 避坑指南:
- 在第(2)问中,两式相减时千万注意 的正负号异号加倍陷阱,极易错抄符号导致无法构造。
- 在第(3)问中,切不可直接从第四项一刀切放缩。如果从 起直接用 放缩,会得到 。虽然 同样能证出,但直接放缩在偶数项的放大跨度极陡(如 放大到了 ),本题通过“保留前两项原值,从高次项切入”的截断精修操作,是确保压轴题放缩严谨不漏的万能保险打法。
📖【试题探源与推广】
Tip
- 试题探源: 改编自数列递推与不等式放缩的经典综合题,考查通项公式与级数有界性估计。
- 结论推广: 对于形如 的通用交错递推数列,当 时,其倒数和级数 具有极强的几何级数收敛活性。通过前 项精确控制加高阶项大步跨越法,可以精准卡死在任何合理给定的有理数边界内。
🔗【关联脉络】
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