• 戴老师的一道数列不等式问题



    (数列不等式)
    已知数列$\{a_n\}$满足$3a_1=1,n^2a_{n+1}-a_n^2=n^2a_n\ (n\in \mathbb{N}^\ast)$,则下列选项正确的是 ( )

    (A) $\{a_n\}$是递减数列

    (B) $\{a_n\}$是递增数列,且存在$n\in \mathbb{N}^\ast$使得$a_n>1$

    (C) $\displaystyle\frac{1}{a_{n+1}}>\frac{3}{2}$

    (D) $\displaystyle a_{n+1}>\frac{n+1}{2n+3}$

    证.由$a_1=\frac{1}{3}$得$a_2=\frac{4}{9}$.

    由$n^2a_{n+1}-a_n^2=n^2a_n$可得
    $$
    a_{n+1}=\frac{a_n\left( a_n+n^2 \right)}{n^2}=a_n\left( \frac{a_n}{n^2}+1 \right) >a_n,
    $$
    则$a_n>0$且$\{a_n\}$是递增数列.

    取倒数后得
    $$
    \frac{1}{a_{n+1}}=\frac{n^2}{a_n\left( a_n+n^2 \right)}=\frac{1}{a_n}-\frac{1}{a_n+n^2}>\frac{1}{a_n}-\frac{1}{n^2},
    $$

    $$\begin{aligned}
    \frac{1}{a_n} &=\left( \frac{1}{a_n}-\frac{1}{a_{n-1}} \right) +\cdots +\left( \frac{1}{a_3}-\frac{1}{a_2} \right) +\frac{1}{a_2}
    \\
    &>\frac{1}{a_2}-\left( \frac{1}{2^2}+\frac{1}{3^2}+\cdots +\frac{1}{\left( n-1 \right) ^2} \right)
    \\
    &>\frac{9}{4}-\left( \frac{1}{2^2}+\frac{1}{2\times 3}+\cdots +\frac{1}{\left( n-2 \right) \left( n-1 \right)} \right)
    \\
    &=\frac{9}{4}-\frac{1}{2^2}-\frac{1}{2}+\frac{1}{n-1}
    =\frac{3}{2}+\frac{1}{n-1}>\frac{3}{2}.
    \end{aligned}$$
    故C选项正确.

    由$\displaystyle\frac{1}{a_n}>\frac{3}{2}$可得$\displaystyle a_n<\frac{2}{3}<1$,故B选项错误.

    最后利用数学归纳法证明$\displaystyle a_n>\frac{n}{2n+1}\ (n\geqslant 2)$.

    当$n=2$时, $\displaystyle a_2=\frac{4}{9}>\frac{2}{5}$成立.

    假设$n=k$时结论成立,则$\displaystyle a_k>\frac{k}{2k+1}$,则
    $$\begin{aligned}
    a_{k+1} &=a_k\left( \frac{a_k}{k^2}+1 \right) >\frac{k}{2k+1}\left( \frac{1}{k^2}\cdot \frac{k}{2k+1}+1 \right)
    \\
    &=\frac{k}{2k+1}\left( \frac{1}{k\left( 2k+1 \right)}+1 \right) =\frac{k}{2k+1}+\frac{1}{\left( 2k+1 \right) ^2}=\frac{2k^2+k+1}{\left( 2k+1 \right) ^2}.
    \end{aligned}$$
    接下来证明$$
    \frac{2k^2+k+1}{\left( 2k+1 \right) ^2}>\frac{k+1}{2k+3},$$
    等价于证明
    $$\left( 2k^2+k+1 \right) \left( 2k+3 \right) >\left( k+1 \right) \left( 2k+1 \right) ^2,
    $$
    即$4k^3+8k^2+5k+3>4k^3+8k^2+5k+1$,显然成立.

    故$\displaystyle a_n>\frac{n}{2n+1}\ (n\geqslant 2)$,即$\displaystyle a_{n+1}>\frac{n+1}{2n+3}$.故D选项正确.

    答案选CD.


    证法二.或者由$a_n<1$可得
    $$
    \frac{1}{a_{n+1}}=\frac{1}{a_n}-\frac{1}{a_n+n^2}<\frac{1}{a_n}-\frac{1}{n^2+1}<\frac{1}{a_n}-\frac{1}{n\left( n+1 \right)},
    $$

    $$\begin{aligned}
    \frac{1}{a_n}&=\left( \frac{1}{a_n}-\frac{1}{a_{n-1}} \right) +\cdots +\left( \frac{1}{a_2}-\frac{1}{a_1} \right) +\frac{1}{a_1}\\
    &<\frac{1}{a_1}-\left( \frac{1}{1\times 2}+\frac{1}{2\times 3}+\cdots +\frac{1}{n\left( n+1 \right)} \right)\\
    &<3-\left( 1-\frac{1}{n+1} \right)\\
    &=2+\frac{1}{n+1}<2+\frac{1}{n}=\frac{2n+1}{n}.
    \end{aligned}$$
    于是$\displaystyle a_n>\frac{n}{2n+1}\ (n\geqslant 2)$.

  • 相关阅读:
    vuex 入门
    Vuex 原理
    java web开发问题集合
    JSP Servlet 路径解析 路径设置
    随笔——学习的一些步骤及注意点(不断更新)
    常用正则表达式大全!(例如:匹配中文、匹配html)
    myeclipse+tomcat 工程名改名的问题 ——————完美解决方案
    web开发的步骤
    Servlet中的GET和POST之间的区别
    html、css、javascript、JSP 、xml学习顺序应该是怎样的呢?
  • 原文地址:https://www.cnblogs.com/Eufisky/p/16397370.html
Copyright © 2020-2023  润新知