等差数列 $\{a_n\}$ 各项均为正整数,满足 $a_1a_2-8a_1+a_2-13=0$,数列 $\{b_n\}$ 满足 $b_n=n^2$($n\in\mathbb N^*$),数列 $\{a_n\}$ 与 $\{b_n\}$ 所有公共项从小到大排列得到数列 $\{c_n\}$,$S_n$ 是数列 $\left\{\sqrt{1+\dfrac{1}{b_n}+\dfrac{1}{b_{n+1}}}\right\}$ 的前 $n$ 项和,则 $(4S_n)^2-c_{2n-1}$ 的最大值为
【难度】
【出处】
【标注】
  • 知识点
    >
    代数变形
    >
    代数式的形
    >
    分拆与裂项
  • 知识点
    >
    数列
    >
    数列的性质
    >
    数列的单调性
【答案】
$81$
【解析】
根据题意,有$$(a_1+1)(a_2-8)=5,$$于是 $a_1=4$,$a_2=9$,从而$$a_n=5n-1,n\in\mathbb N^*.$$考虑到当 $n$ 模 $5$ 的余数为 $0,1,2,3,4$ 时,$n^2$ 模 $5$ 的余数分别为 $0,1,4,4,1$.于是 $\{c_n\}$ 为模 $5$ 余 $2$ 或 $3$ 的正整数从小到大排列得到的数列,进而 $c_{2n-1}$ 表示第 $n$ 个模 $5$ 余 $2$ 的数,即$$c_{2n-1}=(5n-3)^2,n\in\mathbb N^*.$$而$$\sqrt{1+\dfrac{1}{b_n}+\dfrac{1}{b_{n+1}}}=\sqrt{1+\dfrac 1{n^2}+\dfrac{1}{(n+1)^2}}=1+\dfrac 1n-\dfrac{1}{n+1},$$于是$$S_n=n+1-\dfrac{1}{n+1},n\in\mathbb N^*.$$这样就有\begin{eqnarray*}\begin{split} (4S_n)^2-c_{2n-1}&=16(n+1)^2+\dfrac{16}{(n+1)^2}-(5n-3)^2-32\\
&=-9n^2+62n+\dfrac{16}{(n+1)^2}-25\\
&=-9(n+1)^2+80(n+1)+\dfrac{16}{(n+1)^2}-96.\end{split} \end{eqnarray*}设 $\varphi(x)=-9x^2+80x+\dfrac{16}{x^2}$,则其导函数$$\varphi'(x)=-18x+80-\dfrac{32}{x^3},$$于是当 $x\geqslant 2$ 时,$\varphi(x)$ 先增后减,且极大值点位于区间 $(4,5)$.当 $n=3$ 时,原式值为 $81$;当 $n=4$ 时,原式值为 $\dfrac{1991}{25}$,因此所求的最大值为 $81$.
题目 答案 解析 备注
0.133700s