已知数列 $\left\{a_n\right\}$ 的各项均为正数,$b_n=n\left(1+\dfrac 1n\right)^na_n\left(n\in{\mathbb{N}}_+\right)$,${\mathrm{e}}$ 为自然对数的底数.
【难度】
【出处】
无
【标注】
-
求函数 $f\left(x\right)=1+x-{\mathrm{e}}^x$ 的单调区间,并比较 $\left(1+\dfrac 1n\right)^n$ 与 ${\mathrm{e}}$ 的大小;标注答案$f\left(x\right)$ 的单调递增区间为 $\left(-\infty,0\right)$,单调递减区间为 $\left(0,+\infty\right)$;$\left(1+\dfrac 1n\right)^n<{\mathrm{e}}$.解析先用导数确定 $f(x)$ 的单调性,然后把 $x$ 赋值即可得到结果.$f\left(x\right)$ 的定义域为 $\left(-\infty,+\infty\right)$,$f'\left(x\right)=1-{\mathrm{e}}^x$.
当 $f'\left(x\right)>0$,即 $x<0$ 时,$f\left(x\right)$ 单调递增;
当 $f'\left(x\right)<0$,即 $x>0$ 时,$f\left(x\right)$ 单调递减.
故 $f\left(x\right)$ 的单调递增区间为 $\left(-\infty,0\right)$,单调递减区间为 $\left(0,+\infty\right)$.
当 $x>0$ 时,$f\left(x\right)<f\left(0\right)=0$,即 $1+x<{\mathrm{e}}^x$.
令 $x=\dfrac 1n$,得 $1+\dfrac 1n<{\mathrm{e}}^{\frac 1n}$,即 $\left(1+\dfrac 1n\right)^n<{\mathrm{e}}. \quad \cdots \cdots ① $ -
计算 $\dfrac{b_1}{a_1}$,$\dfrac{b_1b_2}{a_1a_2}$,$\dfrac{b_1b_2b_3}{a_1a_2a_3}$,由此推测计算 $\dfrac{b_1b_2\cdots b_n}{a_1a_2\cdots a_n}$ 的公式,并给出证明;标注答案$\dfrac{b_1}{a_1}=1\cdot \left(1+\dfrac 11\right)^1=1+1=2$;
$\dfrac{b_1b_2}{a_1a_2}=\dfrac{b_1}{a_1}\cdot\dfrac{b_2}{a_2}=2\cdot 2\left(1+\dfrac 12\right)^2=\left(2+1\right)^2=3^2$;
$\dfrac{b_1b_2b_3}{a_1a_2a_3}=\dfrac{b_1b_2}{a_1a_2}\cdot\dfrac{b_3}{a_3}=3^2\cdot 3\left(1+\dfrac 13\right)^3=\left(3+1\right)^3=4^3$.
由此推测:$\dfrac{b_1b_2\cdots b_n}{a_1a_2\cdots a_n}=\left(n+1\right)^n$,证明略.解析本题可以利用数学归纳法证明.$\dfrac{b_1}{a_1}=1\cdot \left(1+\dfrac 11\right)^1=1+1=2$;
$\dfrac{b_1b_2}{a_1a_2}=\dfrac{b_1}{a_1}\cdot\dfrac{b_2}{a_2}=2\cdot 2\left(1+\dfrac 12\right)^2=\left(2+1\right)^2=3^2$;
$\dfrac{b_1b_2b_3}{a_1a_2a_3}=\dfrac{b_1b_2}{a_1a_2}\cdot\dfrac{b_3}{a_3}=3^2\cdot 3\left(1+\dfrac 13\right)^3=\left(3+1\right)^3=4^3$.
由此推测:$\dfrac{b_1b_2\cdots b_n}{a_1a_2\cdots a_n}=\left(n+1\right)^n. \quad \cdots \cdots ② $
下面用数学归纳法证明 $ ② $.
(i)当 $n=1$ 时,左边=右边= $2$,$ ② $ 成立.
(ii)假设当 $n=k\left( k\geqslant 1 , k\in{\mathbb{N}}_+\right)$ 时,$ ② $ 成立,即\[\dfrac{b_1b_2\cdots b_k}{a_1a_2\cdots a_k}=\left(k+1\right)^k.\]当 $n=k+1$ 时,\[b_{k+1}=\left(k+1\right)\left(1+\dfrac{1}{k+1}\right)^{k+1}a_{k+1},\]由归纳假设可得\[\begin{split}\dfrac{b_1b_2\cdots b_kb_{k+1}}{a_1a_2\cdots a_ka_{k+1}}&=\dfrac{b_1b_2\cdots b_k}{a_1a_2\cdots a_k}\cdot \dfrac{b_{k+1}}{a_{k+1}}\\&=\left(k+1\right)^k\cdot \left(k+1\right)\cdot \left(1+\dfrac{1}{k+1}\right)^{k+1}\\&=\left(k+2\right)^{k+1},\end{split}\]所以当 $n=k+1$ 时,$ ② $ 也成立.
根据(i)(ii),可知 $ ② $ 对一切正整数 $n$ 都成立. -
令 $c_n=\left(a_1a_2\cdots a_n\right)^{\frac 1n}$,数列 $\left\{a_n\right\}$,$\left\{c_n\right\}$ 的前 $n$ 项和分别记为 $S_n$,$T_n$,证明:$T_n<{\mathrm{e}}S_n$.标注答案略解析本题需要用均值不等式把乘法转化为加法,然后利用裂项求和即可.由 $ ① $,$ ② $ 可得\[\begin{split}
T_n&=c_1+c_2+c_3+\cdots+c_n
\\&=\left(a_1\right)^{\frac 11}+\left(a_1a_2\right)^{\frac 12}+\left(a_1a_2a_3\right)^{\frac 13}+\cdots\left(a_1a_2\cdots a_n\right)^{\frac 1n}
\\&=\dfrac{\left(b_1\right)^{\frac 11}}2+\dfrac{\left(b_1b_2\right)^{\frac 12}}3+\dfrac{\left(b_1b_2b_3\right)^{\frac 13}}4+\cdots+\dfrac{\left(b_1b_2\cdots b_n\right)^{\frac 1n}}{n+1}
\\&\overset{\left[a\right]}\leqslant \dfrac{b_1}{1\times 2}+\dfrac{b_1+b_2}{2\times 3}+\dfrac{b_1+b_2+b_3}{3\times 4}+\cdots+\dfrac{b_1+b_2+\cdots+b_n}{n\left(n+1\right)}
\\&=b_1\left[\dfrac 1{1\times 2}+\dfrac 1{2\times 3}+\cdots+\dfrac 1{n\left(n+1\right)}\right]+b_2\left[\dfrac 1{2\times 3}+\dfrac 1{3\times 4}+\cdots+\dfrac 1{n\left(n+1\right)}\right]+\cdots+b_n\cdot\dfrac 1{n\left(n+1\right)}
\\& \overset{\left[b\right]}=b_1\left(1-\dfrac 1{n+1}\right)+ b_2\left(\dfrac 12-\dfrac 1{n+1}\right)+\cdots+b_n\left(\dfrac 1n-\dfrac 1{n+1}\right)
\\& <\dfrac{b_1}1+\dfrac{b_2}2+\cdots+\dfrac{b_n}n
\\& =\left(1+\dfrac 11\right)^1a_1+\left(1+\dfrac 12\right)^2a_2+\cdots+\left(1+\dfrac 1n\right)^na_n
\\& <{\mathrm{e}}a_1+{\mathrm{e}}a_2+\cdots+{\mathrm{e}}a_n={\mathrm{e}}S_n,
\end{split}\](推导中用到:[a][b])即 $T_n<{\mathrm{e}}S_n$.
题目
问题1
答案1
解析1
备注1
问题2
答案2
解析2
备注2
问题3
答案3
解析3
备注3