本题导读
本题考查数列递推关系与通项公式。
📌【题干】
Question
(2011年重庆卷(理))
设实数数列 的前 项和 满足 ().
(1) 若 成等比数列,求 和 ;
(2) 求证:对 有 .
🔍【思路分析】
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- 第一问:由 代入递推式得 。对于 ,有 。结合等比中项性质 ,建立方程求出 与 ,进而求出 。
- 第二问:分析递推关系式 或写为 。利用数学归纳法证明当 时各状态量的取值范围与单调递减性。
✅【答案】
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(1) 待补
(2) 证明见解析
✍【详细解析】
Abstract
(1) 由 及已知 得:
S_{n+1} = (S_{n+1} - S_n)S_n.
当 时,
S_2 = (S_2 - S_1)S_1 = a_2 a_1.
又 成等比数列,所以:
S_2^2 = a_1(-2a_2) = -2a_1 a_2.
若 ,则公比不存在或各项为 0 与等比数列定义不符(等比数列各项非零),故 。
将 代入得:
S_2^2 = -2S_2 \implies S_2 = -2.
当 时,由递推式 及 得:
S_2 + a_3 = a_3 S_2.
代入 得:
-2 + a_3 = -2a_3 \implies 3a_3 = 2 \implies a_3 = \dfrac{2}{3}.
综上,,。
(2) 由递推式 ,整理得:
S_{n+1}(1 - S_n) = -S_n^2 \implies S_{n+1} = \dfrac{S_n^2}{S_n - 1} \quad (S_n \neq 1).
两边同除以 得:
a_{n+1} = \dfrac{S_{n+1}}{S_n} = \dfrac{S_n}{S_n - 1} = 1 + \dfrac{1}{S_n - 1}.
由 (1) 知 。
当 时:
S_3 = \dfrac{S_2^2}{S_2 - 1} = \dfrac{(-2)^2}{-2 - 1} = -\dfrac{4}{3}.
代入得 。
当 时:
S_4 = \dfrac{S_3^2}{S_3 - 1} = \dfrac{\left(-\frac{4}{3}\right)^2}{-\frac{4}{3} - 1} = \dfrac{\frac{16}{9}}{-\frac{7}{3}} = -\dfrac{16}{21},
a_4 = \dfrac{S_3}{S_3 - 1} = \dfrac{-\frac{4}{3}}{-\frac{7}{3}} = \dfrac{4}{7}.
显然 ,即当 时,结论成立。
下面用数学归纳法证明:对任意整数 ,均有 。
① 当 时,,结论成立。
② 假设当 () 时, 成立。
考察函数 在区间 上的单调性:
h’(t) = \dfrac{2t(t - 1) - t^2}{(t - 1)^2} = \dfrac{t(t - 2)}{(t - 1)^2}.
当 时, 且 ,所以 ,故 ,即 在 上单调递增。
因此:
h(-2) \leqslant h(S_m) < h(0) \implies -\dfrac{4}{3} \leqslant S_{m+1} < 0.
显然 ,即 也成立。
由 ①② 可知,对任意 ,恒有 。
因为对所有 ,,
所以 。
又因为 对所有 成立(由于 且 ),
易知 。
再比较相邻两项 与 :
a_{k+1} - a_k = \dfrac{S_k}{S_k - 1} - \dfrac{S_{k-1}}{S_{k-1} - 1} = \dfrac{S_k(S_{k-1} - 1) - S_{k-1}(S_k - 1)}{(S_k - 1)(S_{k-1} - 1)} = \dfrac{S_{k-1} - S_k}{(S_k - 1)(S_{k-1} - 1)}.
因为 ,所以 。
又因为 ,所以分母 。
因此 ,即 。
综上所述,对任意 ,恒有 。
💡【考点归纳与避坑指南】
Danger
- 核心考点: 与 的关系式转化、分式递推数列的有界性与单调性证明。
- 核心方法:
- 构造函数法分析分式递推数列 的单调性与值域;
- 数学归纳法证明不动点区间与有界性。
- 避坑指南:
- 第一问中等比数列各项非零,应排除 的伪解;
- 第二问证明单调性时,注意分母 的正负号判断。
📖【试题探源与推广】
Tip
- 试题探源:非线性动力系统中的一维迭代映射(如分式线性与二次分式映射的局部收敛性分析)。
- 结论推广:对于递推式 ,若初值落入吸引子单调区间,则数列呈现出全局单调有界性,由单调有界收敛定理可进一步探讨其极限。
🔗【关联脉络】
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