已知数列 $\{a_n\}$ 满足 $a_1=\dfrac 13$,$a_{n+1}=a_n+\dfrac{a_n^2}{n^2}(n\in \mathbb N^*)$.证明:对一切 $n\in \mathbb N^*$,有
【难度】
【出处】
2011年全国高中数学联赛湖北省预赛
【标注】
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$a_n<a_{n+1}<1$;标注答案略解析显然 $a_n>0$,所以$$a_{n+1}=a_n+\dfrac{a_n^2}{n^2}>a_n(n\in \mathbb N^*)$$所以,对一切 $k\in \mathbb N^*$,$$a_{k+1}=a_k+\dfrac{a_k^2}{k^2}<a_k+\dfrac{1}{k^2}a_ka_{k+1},$$所以$$\dfrac 1{a_k}-\dfrac 1{a_{k+1}}<\dfrac 1{k^2}.$$因此,当 $n\geqslant 2$ 时,\[\begin{split}\dfrac 1{a_n}&=\dfrac 1{a_1}-\sum\limits_{k=1}^{n-1}\left(\dfrac 1{a_k}-\dfrac 1{a_{k+1}}\right)\\&>\dfrac 1{a_1}-\sum\limits_{k=1}^{n-1}\dfrac 1{k^2}\\&>3-\left(1+\sum\limits_{k=2}^{n-1}{\dfrac{1}{k(k-1)}}\right)\\&=3-\left(1+\sum\limits_{k=2}^{n-1}\left(\dfrac 1{k-1}-\dfrac 1k\right)\right)\\&=3-\left(1+1-\dfrac 1{n-1}\right)\\&=\dfrac n{n-1}>1,\end{split}\]所以 $a_n<1$.
又 $a_1=\dfrac 13<1$,故对一切 $n\in \mathbb N^*$,有 $a_n<1$.
因此,对一切 $n\in \mathbb N^*$,有 $a_n<a_{n+1}<1$. -
$a_n>\dfrac 12 -\dfrac 1{4n}$.标注答案略解析显然$$a_1=\dfrac 13 >\dfrac 14=\dfrac 12-\dfrac 14.$$由 $a_n<1$,知$$a_{k+1}=a_k+\dfrac{a_k^2}{k^2}<a_k+\dfrac{a_k}{k^2},$$所以$$a_k>\dfrac{k^2}{k^2+1}a_{k+1},$$故\[\begin{split}a_{k+1}&=a_k+\dfrac{a_k^2}{k^2}\\&>a_k+\dfrac{1}{k^2}a_k\cdot \dfrac{k^2}{k^2+1}a_{k+1}\\&=a_k+\dfrac 1{k^2+1}a_ka_{k+1},\end{split}\]即$$\dfrac 1{a_k}-\dfrac 1{a_{k+1}}>\dfrac 1{k^2+1},$$因此,当 $n\in \mathbb N^*$ 且 $n\geqslant 2$ 时,\[\begin{split}\dfrac 1{a_n}&=\dfrac 1{a_1}-\sum\limits_{k=1}^{n-1}\left(\dfrac 1{a_k}-\dfrac 1{a_{k+1}}\right)\\&<\dfrac 1{a_1}-\sum\limits_{k=1}^{n-1}\dfrac{1}{k^2+1}\\&<3-\sum\limits_{k=1}^{n-1}\dfrac{1}{k(k+1)}\\&=3-\sum\limits_{k=1}^{n-1}\left(\dfrac 1k-\dfrac 1{k+1}\right)\\&=3-\left(1-\dfrac 1n\right)\\&=\dfrac {2n+1}{n},\end{split}\]所以$$a_n>\dfrac n{2n+1}=\dfrac 12-\dfrac 1{2(2n+1)}>\dfrac 12-\dfrac 1{4n}.$$
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