数列 $\left\{a_n\right\}$ 满足 $a_1+2a_2+\cdots+na_n=4-\dfrac{n+2}{2^{n-1}}$,$n\in {\mathbb{N}}^*$.
【难度】
【出处】
无
【标注】
-
求 $a_3$ 的值;标注答案$ a_3=\dfrac 14$.解析由 $\{a_n\}$ 所满足的式子,赋值,可求得.令 $n=1$,则 $a_1=1$;
令 $n=2$,则 $a_1+2a_2=2$,故 $ a_2=\dfrac 12$;
令 $n=3$,则 $a_1+2a_2+3a_3=4-\dfrac 54$,故 $a_3=\dfrac 14$. -
求数列 $\left\{a_n\right\}$ 的前 $n$ 项和 $T_n$;标注答案$T_n=2-\dfrac{1}{2^{n-1}}$.解析由数列 $\{na_n\}$ 的前 $n$ 项和的通项公式,可以由通项与和的关系求通项公式的方法,求得 $\{na_n\}$ 的通项公式,进而可求出 $\{a_n\}$ 的通项公式.当 $n\geqslant 2$ 时,\[\begin{split}&a_1+2a_2+3a_3+\cdots+\left(n-1\right)a_{n-1}=4-\dfrac{n+1}{2^{n-2}}, \quad \cdots \cdots ① \\&a_1+2a_2+3a_3+\cdots+\left(n-1\right)a_{n-1}+na_n=4-\dfrac{n+2}{2^{n-1}}. \quad \cdots \cdots ② \end{split}\]由 $ ② - ① $,得\[na_n=\dfrac{n+1}{2^{n-2}}-\dfrac{n+2}{2^{n-1}}=\dfrac{n}{2^{n-1}} ,\]所以 $a_n=\dfrac{1}{2^{n-1}}$.
当 $n=1$ 时,$a_1=1$ 也适合 $a_n=\dfrac{1}{2^{n-1}}$,所以\[ a_n=\dfrac{1}{2^{n-1}}\left(n\in {\mathbb{N}}^*\right) ,\]故数列 $\left\{a_n\right\}$ 是等比数列,首项 $a_1=1$,公比 $q=\dfrac 12$.
于是,等比数列 $\left\{a_n\right\}$ 的前 $n$ 项和\[T_n=\dfrac{a_1\left(1-q^n\right)}{1-q}=2-\dfrac{1}{2^{n-1}}.\] -
令 $b_1=a_1$,$b_n=\dfrac{T_{n-1}}{n}+\left(1+\dfrac 12+\dfrac 13+\cdots+\dfrac 1n\right)a_n\left(n\geqslant 2\right)$,证明:数列 $\left\{b_n\right\}$ 的前 $n$ 项和 $S_n$ 满足 $S_n<2+2\ln n$.标注答案略.解析因为 $b_1=a_1=1$,所以 $ S_1=2+2\ln 1$ 成立.又\[\begin{split}&b_2=\dfrac{a_1}{2}+\left(1+\dfrac 12\right)a_2 ,\\&b_3=\dfrac{a_1+a_2}{3}+\left(1+\dfrac 12+\dfrac 13\right)a_3,\\&\qquad\qquad\qquad\cdots,\\&b_n=\dfrac{a_1+a_2+\cdots+a_{n-1}}{n}+\left(1+\dfrac 12+\cdots+\dfrac 1n\right)a_n ,\end{split}\]所以,数列 $\left\{b_n\right\}$ 的前 $n$ 项和\[\begin{split} S_n&=b_1+b_2+\cdots+b_n\\&=\left(1+\dfrac 12+\cdots+\dfrac 1n\right)a_1+\left(1+\dfrac 12+\cdots+\dfrac 1n\right)a_2+\cdots+\left(1+\dfrac 12+\cdots+\dfrac 1n\right)a_n\\&=\left(1+\dfrac 12+\cdots+\dfrac 1n\right)\left(a_1+a_2+\cdots+a_n\right)\\&=\left(1+\dfrac 12+\cdots+\dfrac 1n\right)\left(2-\dfrac{1}{2^{n-1}}\right)\\&<2\left(1+\dfrac 12+\cdots+\dfrac 1n\right) ,\end{split} \]构造函数 $h\left(x\right)=\ln\dfrac 1x-\dfrac 1x+1,x>0,$ 故\[h'\left(x\right)=\dfrac{1-x}{x^2} ,\]令\[h'\left(x\right)>0,\]解得 $0<x<1$;令\[h'\left(x\right)<0 ,\]解得 $x>1$,所以 $ h\left(x\right)=\ln\dfrac 1x-\dfrac 1x+1$,$x>0$ 在 $\left(0,1\right)$ 上单调递增,在 $\left(1,+\infty\right)$ 上单调递减,因此 $ h\left(x\right)<h\left(1\right)=0$,所以 $ \ln\dfrac 1x-\dfrac 1x+1\leqslant 0$,$x>0$(仅当 $x=1$ 时取等号),即\[\ln x\geqslant 1-\dfrac 1x,\]又\[\begin{split}\ln n&=\ln\dfrac{n}{n-1}+\ln\dfrac{n-1}{n-2}+\cdots+\ln 2\\&>\left(1-\dfrac{n-1}{n}\right)+\left(1-\dfrac{n-2}{n-1}\right)+\cdots+\left(1-\dfrac 12\right)\\&=\dfrac 12+\dfrac 13+\cdots+\dfrac 1n,\end{split}\]所以 $ 2\left(1+\dfrac 12+\cdots+\dfrac 1n\right)<2+2\ln n$,从而 $ S_n<2+2\ln 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