(12分)已知数列 a _ n 满足 a _ 1 = 1…——2014 高考数学第 17 题答案解析

2014_新课标II Paper

2014 National Question 17 Free-response Differentiating
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17.(12分)已知数列 $\{ \mathsf { a } _ { \mathsf { n } } \}$ 满足 $\mathsf { a } _ { 1 } { = } 1 , ~ \mathsf { a } _ { \mathsf { n } + 1 } { = } 3 \mathsf { a } _ { \mathsf { n } } { + } 1$

(Ⅰ)证明 $\{ { \mathsf { a } } _ { \mathsf { n } } + { \frac { 1 } { 2 } } \}$ 是等比数列,并求 $\{ \mathsf { a } _ { \mathsf { n } } \}$ 的通项公式;

(Ⅱ)证明: $\frac { 1 } { \mathsf { a } _ { 1 } } + \frac { 1 } { \mathsf { a } _ { 2 } } + \ldots + \frac { 1 } { \mathsf { a } _ { \mathrm { n } } } < \frac { 3 } { 2 } .$

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(Ⅰ)由已知 $a_{n+1} = 3a_n + 1$,在等式两边同时加上 $\frac{1}{2}$,得:
$$ a_{n+1} + \frac{1}{2} = 3a_n + 1 + \frac{1}{2} = 3a_n + \frac{3}{2} = 3\left(a_n + \frac{1}{2}\right) $$
即 $\frac{a_{n+1} + \frac{1}{2}}{a_n + \frac{1}{2}} = 3$。

又因为 $a_1 = 1$,所以首项 $a_1 + \frac{1}{2} = \frac{3}{2} \neq 0$。
故数列 $\left\{ a_n + \frac{1}{2} \right\}$ 是以 $\frac{3}{2}$ 为首项,3为公比的等比数列。

根据等比数列通项公式可得:
$$ a_n + \frac{1}{2} = \frac{3}{2} \cdot 3^{n-1} = \frac{3^n}{2} $$
解得数列 $\{a_n\}$ 的通项公式为:
$$ a_n = \frac{3^n - 1}{2} $$

(Ⅱ)由(Ⅰ)知 $a_n = \frac{3^n - 1}{2}$,则 $\frac{1}{a_n} = \frac{2}{3^n - 1}$。

当 $n=1$ 时,$\frac{1}{a_1} = 1 < \frac{3}{2}$,不等式成立。

当 $n \ge 2$ 时,由于 $3^n - 1 > 3^n - 3^{n-1} = 2 \cdot 3^{n-1}$,
所以 $\frac{1}{a_n} = \frac{2}{3^n - 1} < \frac{2}{2 \cdot 3^{n-1}} = \frac{1}{3^{n-1}}$。

因此,对于任意 $n \in \mathbb{N}^*$,有:
$$ \sum_{k=1}^n \frac{1}{a_k} = \frac{1}{a_1} + \sum_{k=2}^n \frac{1}{a_k} < 1 + \sum_{k=2}^n \frac{1}{3^{k-1}} $$
右边求和部分为等比数列求和(首项为 $\frac{1}{3}$,公比为 $\frac{1}{3}$,项数为 $n-1$):
$$ 1 + \left( \frac{1}{3} + \frac{1}{3^2} + \dots + \frac{1}{3^{n-1}} \right) = 1 + \frac{\frac{1}{3}\left[1 - \left(\frac{1}{3}\right)^{n-1}\right]}{1 - \frac{1}{3}} $$
$$ = 1 + \frac{\frac{1}{3}\left(1 - \frac{1}{3^{n-1}}\right)}{\frac{2}{3}} = 1 + \frac{1}{2}\left(1 - \frac{1}{3^{n-1}}\right) $$
$$ = 1 + \frac{1}{2} - \frac{1}{2 \cdot 3^{n-1}} = \frac{3}{2} - \frac{1}{2 \cdot 3^{n-1}} $$
因为 $\frac{1}{2 \cdot 3^{n-1}} > 0$,所以:
$$ \frac{3}{2} - \frac{1}{2 \cdot 3^{n-1}} < \frac{3}{2} $$
综上所述,$\frac{1}{a_1} + \frac{1}{a_2} + \dots + \frac{1}{a_n} < \frac{3}{2}$ 成立。

✅ 来源:2014年 · 全国 · 2014_新课标II卷 · 第 17 题 · 本题已通过全部自动发布校验

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