已知数列 $\left\{ {{a_n}} \right\}$ 满足 ${a_1} = \dfrac{2}{5}$,且对任意 $n \in {{\mathbb{N}}^ * }$,都有 $\dfrac{{{a_n}}}{{{a_{n + 1}}}} = \dfrac{{4{a_n} + 2}}{{{a_{n + 1}} + 2}}$.下列命题中正确的是 \((\qquad)\)
【难度】
【出处】
无
【标注】
【答案】
ABC
【解析】
由已知得$${a_n}{a_{n + 1}} + 2{a_n} = 4{a_n}{a_{n + 1}} + 2{a_{n + 1}},$$即$$2{a_n} - 2{a_{n + 1}} = 3{a_n}{a_{n + 1}},$$所以$$\dfrac{1}{{{a_{n + 1}}}} - \dfrac{1}{{{a_n}}} = \dfrac{3}{2},$$所以数列 $\left\{\dfrac{1}{a_n} \right\}$ 是以 $\dfrac{5}{2}$ 为首项,公差为 $\dfrac{3}{2}$ 的等差数列,进而 可得数列 $\left\{\dfrac{1}{a_n} \right\}$ 的通项公式为$$\dfrac{1}{{{a_n}}} = \dfrac{{3n + 2}}{2},$$所以$${a_n} = \dfrac{2}{{3n + 2}},$$则\[\begin{split}{a_k} \cdot {a_{k + 1}} &= \dfrac{2}{{3k + 2}} \cdot \dfrac{2}{{3\left(k + 1\right) + 2}} \\&= \dfrac{4}{{9{k^2} + 21k + 10}}
\\& = \dfrac{2}{{\dfrac{{9{k^2} + 21k + 6}}{2} + 2}}\\& = \dfrac{2}{{3 \cdot \dfrac{{3{k^2} + 7k + 2}}{2} + 2}}.\end{split}\]因为$$\dfrac{{3{k^2} + 7k + 2}}{2} = {k^2} + 3k + 1 + \dfrac{{k\left(k + 1\right)}}{2},$$当 $k \in {{\mathbb{N}}^ * }$ 时,$\dfrac{{k\left(k + 1\right)}}{2}$ 一定是正整数,所以 $\dfrac{{3{k^2} + 7k + 2}}{2}$ 是正整数.
所以 ${a_k} \cdot {a_{k + 1}}$ 是数列 $\left\{ {{a_n}} \right\}$ 中的项,是第 $\dfrac{{3{k^2} + 7k + 2}}{2}$ 项.
因此$${a_n} = \dfrac{2}{{3n + 2}},{b_n} = \dfrac{2}{3}\left( {\dfrac{1}{{{a_n}}} + 5} \right) = \dfrac{2}{3}\left( {\dfrac{{3n + 2}}{2} + 5} \right) = n + 4.$$下面用数学归纳法证明:${2^{n + 4}} > {\left(n + 4\right)^2}$ 对任意 $n \in {{\mathbb{N}}^ * }$ 都成立.
归纳基础 当 $n = 1$ 时,显然 ${2^5} > {5^2}$,不等式成立.
递推证明 假设当 $n = k\left(k \in {{\mathbb{N}}^ * }\right)$ 时,有 ${2^{k + 4}} > {\left(k + 4\right)^2}$,
当 $n = k + 1$ 时,$$\begin{split}{2^{\left(k + 1\right) + 4}} &= 2 \cdot {2^{k + 4}}> 2{\left(k + 4\right)^2}\\ &= 2{k^2} + 16k + 32\\ &= {\left(k + 5\right)^2} + {k^2} + 6k + 7\\ &> {\left(k + 5\right)^2},\end{split}$$即 ${2^{{b_{n + 1}}}} > b_{n + 1}^2$ 也成立.
因此对任意 $n \in {{\mathbb{N}}^ * }$,都有不等式 ${2^{{b_n}}} > b_n^2$ 成立.
\\& = \dfrac{2}{{\dfrac{{9{k^2} + 21k + 6}}{2} + 2}}\\& = \dfrac{2}{{3 \cdot \dfrac{{3{k^2} + 7k + 2}}{2} + 2}}.\end{split}\]因为$$\dfrac{{3{k^2} + 7k + 2}}{2} = {k^2} + 3k + 1 + \dfrac{{k\left(k + 1\right)}}{2},$$当 $k \in {{\mathbb{N}}^ * }$ 时,$\dfrac{{k\left(k + 1\right)}}{2}$ 一定是正整数,所以 $\dfrac{{3{k^2} + 7k + 2}}{2}$ 是正整数.
所以 ${a_k} \cdot {a_{k + 1}}$ 是数列 $\left\{ {{a_n}} \right\}$ 中的项,是第 $\dfrac{{3{k^2} + 7k + 2}}{2}$ 项.
因此$${a_n} = \dfrac{2}{{3n + 2}},{b_n} = \dfrac{2}{3}\left( {\dfrac{1}{{{a_n}}} + 5} \right) = \dfrac{2}{3}\left( {\dfrac{{3n + 2}}{2} + 5} \right) = n + 4.$$下面用数学归纳法证明:${2^{n + 4}} > {\left(n + 4\right)^2}$ 对任意 $n \in {{\mathbb{N}}^ * }$ 都成立.
当 $n = k + 1$ 时,$$\begin{split}{2^{\left(k + 1\right) + 4}} &= 2 \cdot {2^{k + 4}}> 2{\left(k + 4\right)^2}\\ &= 2{k^2} + 16k + 32\\ &= {\left(k + 5\right)^2} + {k^2} + 6k + 7\\ &> {\left(k + 5\right)^2},\end{split}$$即 ${2^{{b_{n + 1}}}} > b_{n + 1}^2$ 也成立.
因此对任意 $n \in {{\mathbb{N}}^ * }$,都有不等式 ${2^{{b_n}}} > b_n^2$ 成立.
题目
答案
解析
备注