(14分) ( 2 0 1 3 ) ^ 2 东)设数列 a…——2013 高考数学第 19 题答案解析

2013_省自主命题(广东)

2013 Guangdong Question 19 Free-response Differentiating
2013_省自主命题(广东)

19.(14分) $( 2 0 1 3 \bullet ) ^ { 2 }$ 东)设数列 $\{ \mathbf { a } _ { \mathrm { n } } \}$ 的前n项和为 $\mathrm { S } _ { \mathrm { n } }$ ,已知 $\mathrm { a } _ { 1 } { = } 1$ $\frac { 2 S _ { \mathrm { n } } } { \mathrm { n } } = a _ { \mathrm { n } + 1 } - \frac { 1 } { 3 } \mathrm { n } ^ { 2 } - \mathrm { n } - \frac { 2 } { 3 } , ~ \mathrm { n } \in \mathrm { N } ^ { * }$

(1)求 ${ \bf a } _ { 2 }$ 的值;

(2)求数列 $\{ \mathbf { a } _ { \mathrm { n } } \}$ 的通项公式;

(3)证明:对一切正整数n,有 $\frac { 1 } { a _ { 1 } } + \frac { 1 } { a _ { 2 } } + \cdots + \frac { 1 } { a _ { n } } < \frac { 7 } { 4 } .$

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(1)在已知等式 $\frac { 2 S _ { n } } { n } = a _ { n + 1 } - \frac { 1 } { 3 } n ^ { 2 } - n - \frac { 2 } { 3 }$ 中,令 $n=1$。
因为 $S_1 = a_1 = 1$,代入得:
$2 \times 1 = a_2 - \frac{1}{3} - 1 - \frac{2}{3}$
$2 = a_2 - 2$
解得 $a_2 = 4$。

(2)由已知条件可得:
$2S_n = n a_{n+1} - \frac{1}{3}n^3 - n^2 - \frac{2}{3}n \quad \cdots ①$
当 $n \ge 2$ 时,将 $n$ 替换为 $n-1$,得:
$2S_{n-1} = (n-1)a_n - \frac{1}{3}(n-1)^3 - (n-1)^2 - \frac{2}{3}(n-1) \quad \cdots ②$
①式减去②式,得:
$2(S_n - S_{n-1}) = n a_{n+1} - (n-1)a_n - \left[ \frac{1}{3}(n^3 - (n-1)^3) + (n^2 - (n-1)^2) + \frac{2}{3}(n - (n-1)) \right]$
因为 $S_n - S_{n-1} = a_n$,且括号内多项式化简为:
$\frac{1}{3}(3n^2 - 3n + 1) + (2n - 1) + \frac{2}{3} = n^2 - n + \frac{1}{3} + 2n - 1 + \frac{2}{3} = n^2 + n$
所以有:
$2a_n = n a_{n+1} - (n-1)a_n - (n^2 + n)$
整理得:
$n a_{n+1} = (n+1)a_n + n(n+1)$
两边同时除以 $n(n+1)$,得:
$\frac{a_{n+1}}{n+1} = \frac{a_n}{n} + 1$
即 $\frac{a_{n+1}}{n+1} - \frac{a_n}{n} = 1$。
又由(1)知 $a_1=1, a_2=4$,则 $\frac{a_2}{2} - \frac{a_1}{1} = 2 - 1 = 1$,符合上述规律。
故数列 $\{ \frac{a_n}{n} \}$ 是首项为 $\frac{a_1}{1}=1$,公差为 $1$ 的等差数列。
所以 $\frac{a_n}{n} = 1 + (n-1) \times 1 = n$,即 $a_n = n^2$。
经检验,$n=1$ 时也成立。
故数列 $\{a_n\}$ 的通项公式为 $a_n = n^2$。

(3)当 $n=1$ 时,$\frac{1}{a_1} = 1 < \frac{7}{4}$,不等式成立。
当 $n \ge 2$ 时,因为 $a_n = n^2$,所以 $\frac{1}{a_n} = \frac{1}{n^2}$。
利用放缩法:$\frac{1}{n^2} < \frac{1}{n(n-1)} = \frac{1}{n-1} - \frac{1}{n}$。
则:
$\sum_{k=1}^n \frac{1}{a_k} = 1 + \frac{1}{2^2} + \frac{1}{3^2} + \cdots + \frac{1}{n^2}$
$< 1 + \frac{1}{4} + \left( \frac{1}{2} - \frac{1}{3} \right) + \left( \frac{1}{3} - \frac{1}{4} \right) + \cdots + \left( \frac{1}{n-1} - \frac{1}{n} \right)$
注意此处为了更精确地控制范围,直接从第三项开始放缩(或者保留前两项精确值):
原式 $= 1 + \frac{1}{4} + \sum_{k=3}^n \frac{1}{k^2} < 1 + \frac{1}{4} + \sum_{k=3}^n \left( \frac{1}{k-1} - \frac{1}{k} \right)$
$= 1 + \frac{1}{4} + \left( \frac{1}{2} - \frac{1}{3} + \frac{1}{3} - \frac{1}{4} + \cdots + \frac{1}{n-1} - \frac{1}{n} \right)$
$= 1 + \frac{1}{4} + \frac{1}{2} - \frac{1}{n}$
$= \frac{7}{4} - \frac{1}{n}$
因为 $n \in \mathbb{N}^*$,所以 $\frac{1}{n} > 0$,故 $\frac{7}{4} - \frac{1}{n} < \frac{7}{4}$。
综上所述,对一切正整数 $n$,都有 $\frac{1}{a_1} + \frac{1}{a_2} + \cdots + \frac{1}{a_n} < \frac{7}{4}$。

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