本题导读
本题考查数列的递推关系与前项和。核心在于变量代入法、差分消元法的灵活运用。
📌【题干】
Question
(2012年广东卷(理)) 设数列 的前 项和为 ,满足 ,且 成等差数列.
(1)求 的值;
(2)求数列 的通项公式;
(3)证明:对一切正整数 ,有 .
🔍【思路分析】
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- 第一问通过令 和 建立关于 的方程组,结合等差中项关系 求解 。
- 第二问写出 的表达式,与已知 的表达式相减,利用 消除 ,得到 与 的递推式。再通过两边同加 构造出公比为 3 的等比数列。
- 第三问根据通项 ,通过代数因式分解公式或直接放缩法证明 ,从而将其倒数放缩为等比数列 ,最后利用等比数列求和公式证明有界性。
✅【答案】
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(1)
(2)
(3) 证明见解析,即
✍【详细解析】
Abstract
(1)求 的值
because 已知递推关系式为 , 所以 分别令 和 进行代入:
- 当 时:
- 当 时:
将 代入 的化简式中:
因为 成等差数列, 所以 根据等差中项性质满足:
将关于 的表达式代入上式中:
代入可得: 。
(2)求数列 的通项公式
因为 对任意 恒有: 所以 相应地有:
将②式与①式相减,利用 满足:
因为 上式对 成立,且当 时 同样符合, 所以 递推式可统一写为:
为了求出通项,利用待定系数法在等式两边同时加上 :
说明数列 是一个以 为首项,以 为公比的等比数列。 所以:
(3)证明:
证明(放缩法): because 根据(2)求得的通项公式 ,利用因式分解展开满足:
因为 括号内共有 项,且除了第一项 外,其余各项均大于 0, 所以 显然有放缩不等式:
取倒数化简,不等号方向发生逆转:
将此放缩不等式代入目标求和级数中:
右端为标准的首项为 1、公比为 的等比数列前 项和,利用求和公式化简:
因为 对一切正整数 , , 所以 必然满足:
原命题得证。
💡【考点归纳与避坑指南】
Danger
- 核心考点:利用 与 错位相减消元、构造等比数列化简非齐次递推式、利用等比级数对超越数列和进行有界性放缩证明。
- 核心方法:
- 构造法:通过两边同加 将非齐次方程 转化为标准齐次等比模型。
- 倒数单体放缩法:将复杂的差值分母 放大或缩小为单单项底数形式,从而利用等比数列求和公式攻克。
- 避坑指南:
- 第二问中由 转化时,必须注意所得递推式 的初始下标变动,务必将 代入检验以验证首项是否满足统一公式。
- 第三问放缩时不能放缩过头,若盲目放缩为 ,求和后会得到 ,无法逼近题目要求的 。
📖【试题探源与推广】
Tip
- 试题探源:本题源于人教A版高中数学选择性必修第二册第三章《数列》中关于非齐次线性递推数列及数列不等式证明的经典高考压轴题。
- 结论推广:对于形如 的递推模型,通项公式的一般代数结构恒表现为 的双基底指数形式。在处理此类倒数求和不等式时,利用较大底数进行单侧截断放缩(如本题保留 ),是极其通用且高效的解析几何与代数化简策略。
🔗【关联脉络】
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