(本小题满分 14 分) 设数列 a_ n 的前 n 项和…——2012 高考数学第 19 题答案解析

2012_退役省自主命题 (2012·理)

2012 ?? 第 19 题 解答题 区分题
2012_退役省自主命题 (2012·理)

19.(本小题满分 14 分)
设数列 $\left\{a_{n}\right\}$ 的前 $n$ 项和为 $S_{n}$ ,满足 $2 S_{n}=a_{n+1}-2^{n+1}+1, n \in N^{*}$ ,且 $a_{1}, a_{2}+5, a_{3}$ 成等差数列。
(1)求 $a_{1}$ 的值;
(2)求数列 $\left\{a_{n}\right\}$ 的通项公式;
(3)证明:对一切正整数 $n$ ,有 $\frac{1}{a_{1}}+\frac{1}{a_{2}}+\cdots+\frac{1}{a_{n}}<\frac{3}{2}$ .

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【解答】
(1)在 $2 S_{n}=a_{n+1}-2^{n+1}+1$ 中

令 $n=1$ 得: $2 S_{1}=a_{2}-2^{2}+1$

令 $n=2$ 得: $2 S_{2}=a_{3}-2^{3}+1$

解得:$a_{2}=2 a_{1}+3, a_{3}=6 a_{1}+13$

又 $2\left(a_{2}+5\right)=a_{1}+a_{3}$

解得 $a_{1}=1$
②由 $2 S_{n}=a_{n+1}-2^{n+1}+1$
$2 S_{n+1}=a_{n+2}-2^{n+2}+1$ 得

$$ a_{n+2}=3 a_{n+1}+2^{n+1} $$

又 $a_{1}=1, a_{2}=5$ 也满足 $a_{2}=3 a_{1}+2^{1}$
所以 $a_{n+1}=3 a_{n}+2^{n}$ 对 $n \in N^{*}$ 成立

$$ \begin{aligned} & \therefore a_{n+1}+2^{n+1}=3\left(a_{n}+2^{n}\right) \\ & \therefore a_{n}+2^{n}=3^{n} \\ & \therefore a_{n}=3^{n}-2^{n} \end{aligned} $$

$$ \begin{aligned} (\text { 法一) } & \because a_{n}=3^{n}-2^{n}=(3-2)\left(3^{n-1}+3^{n-2} \times 2+3^{n-3} \times 2^{2}+\ldots+2^{n-1}\right) \geq 3^{n-1} \\ & \therefore \frac{1}{a_{n}} \leq \frac{1}{3^{n-1}} \end{aligned} $$

$\left(\right.$ 法二)$\because a_{n+1}=3^{n+1}-2^{n+1}>2 \times 3^{n}-2^{n+1}=2 a_{n}$

$$ \therefore \frac{1}{a_{n+1}}<\frac{1}{2} \cdot \frac{1}{a_{n}} $$

当 $n \geq 2$ 时,$\frac{1}{a_{3}}<\frac{1}{2} \cdot \frac{1}{a_{2}}$

$$ \begin{aligned} & \frac{1}{a_{4}}<\frac{1}{2} \cdot \frac{1}{a_{3}} \\ & \frac{1}{a_{5}}<\frac{1}{2} \cdot \frac{1}{a_{4}} \end{aligned} $$

$$ \frac{1}{a_{n}}<\frac{1}{2} \cdot \frac{1}{a_{n-1}} $$

累乘得:$\frac{1}{a_{n}}<\left(\frac{1}{2}\right)^{n-2} \cdot \frac{1}{a_{2}}$

$\therefore \frac{1}{a_{1}}+\frac{1}{a_{2}}+\frac{1}{a_{3}}+\ldots \frac{1}{a_{n}} \leq 1+\frac{1}{5}+\frac{1}{2} \times \frac{1}{5}+\ldots+\left(\frac{1}{2}\right)^{n-2} \times \frac{1}{5}<\frac{7}{5}<\frac{3}{2}$

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