令 $a_n$ 表示前 $n$ 个质数的和(如 $a_1=2$,$a_2=2+3=5$,$a_3=2+3+5=10$).
【难度】
【出处】
2014年全国高中数学联赛新疆维吾尔族自治区预赛
【标注】
  1. 验证当 $n=1,2,3,4$ 时,区间 $[a_n,a_{n+1}]$ 中包含一个完全平方数;
    标注
    答案
    解析
    当 $n=1,2,3,4$ 时,由题意可得,$$a_1=2 , a_2=5 , a_3=10 , a_4=17.$$此时,区间 $[2,5]$ 中包含 $2^2$,区间 $[5,10]$ 中包含 $3^2$,区间 $[10,17]$ 中包含 $4^2$.
  2. 证明:当 $n \geqslant 5$ 时,区间 $[a_n,a_{n+1}]$ 中包含一个完全平方数.
    标注
    答案
    解析
    设 $p_n$ 为第 $n$ 个质数,区间 $[a_n,a_{n+1}]$ 中包含的完全平方数为 $m^2$,于是$$\sqrt {a_n}\leqslant m \leqslant \sqrt {a_{n+1}}, m \in \mathbb Z_+.$$此时,当区间 $[\sqrt {a_n}, \sqrt {a_{n+1}}]$ 的长度不小于 $1$ 时,$[\sqrt {a_n}, \sqrt {a_{n+1}}]$ 中必包含一个整数.命题转化为证明当 $n \geqslant 5$ 时,$$\sqrt {a_{n+1}}- \sqrt {a_n} \geqslant 1. \quad\cdots\cdots \text{ ① } $$将 ① 转化为等价形式$$ a_{n+1} \geqslant {a_n}+2\sqrt {a_n}+1 . \quad\cdots\cdots \text{ ② } $$由题意,得$$p_{n+1}=a_{n+1}-a_n,$$故 ② 转化为等价形式$$ p_{n+1} \geqslant 1+2\sqrt {a_n} . \quad\cdots\cdots \text{ ③ } $$进一步等价于$$(p_{n+1}-1)^2 \geqslant 4a_n=4(p_1+p_2+\cdots+p_n). \quad\cdots\cdots \text{ ④ } $$令$$q_n=(p_{n}-1)^2 -4(p_1+p_2+\cdots+p_{n-1}),$$则$$q_{n+1}-q_n=(p_{n+1}-p_n)(p_{n+1}+p_n-2)-4p_n.$$当 $n \geqslant 2$ 时,$p_n$ 为奇数,从而$$p_{n+1}-p_n\geqslant 2,$$因此$$ q_{n+1}-q_n \geqslant 2(p_{n+1}+p_n-2)-4p_n=2(p_{n+1}-p_n-2)\geqslant 0,$$即 $\{q_n\}$ 为递增数列.
    又由 $q_5=32>0$,从而当 $n \geqslant 5$ 时,$q_n\geqslant q_5 >0$,故 ④ 成立.
    由于各步变形均是等价变形,所以原命题成立.
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
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