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数列求和不等式因证明方法多样而成为不等式证明中的难点,证明方法上除考虑数学归纳法外,一般均采用放缩法,对于项构成等差、等比的,直接运用求和公式求和再放缩;而项不构成等差、等比的,可考虑先对项进行适当的放缩。其中有一类基于相邻项的关系,在对项放缩时,采取与数学归纳法相反的推理方式,经有限次循环放缩后,建立an与a1的不等关系,从而构造成与首项相关的等差、等比数列求和式,达到证明的目的。下面举例加以说明。
例1 已知函数f(x)= ,x∈(0,+∞),数列{xn}满足xn+1=f(xn),且x1=1
(1)设an=|xn- |,证明:an+1 (2)设(1)中数列{an}的前n项和为Sn,证明:Sn< 。
解析:(1)显然xn>0
an+1=|xn+1- |=|f(xn)- |= <( -1)|xn- |<|xn- |=an
即an+1 (2)由(1)知a1= -1,
an< -1)|xn-1- |< -1)2|xn-2- |<…< -1)n-1|x1- |=( -1)n
∴Sn=a1+a2+a3+…+an
≤( -1)+( -1)2+( -1)3+…+( -1)n
= [1-( -1)n]
< =
即Sn<
点评:对an放大后,直接得到等比数列,求和后再放大即得所证不等式。
例2 已知数列{an}的前n项和Sn=2n-n2-1,n∈N*,记
bn= ,数列{bn}的前n项和为Tn,证明:
(1)bn+1 解析:根据前n项和Sn与an的关系,易求得an=2n-1-(2n-1)
∴bn= = -
(1)用数学归纳法证明:
当n=1时,b2-b1= - < ;当n=2时,b3-b2= < ,不等式(1)成立。
假设n=k(k∈N*且k≥2)时不等式(1)成立,即
bk+1 则bk+1-bk= < ,故2k-1>2k-3。
当n=k+1时,bk+2-bk+1= = < = + ≤ ,
即bk+2 故bn+1 (2)由(1)知b1=0,
bn 则Tn=b1+b2+b3+…+bn
≤b1+(b1+ )+(b1+ )+…+(b1+ )
= = n(n-1)
∴Tn≤ n(n-1)对一切n∈N*都成立。
点评:对于数列{bn},应用分项求和及错位相减法,可
得Tn= + -3,与所证结论差异较大,证明方向不明,
借助(1)式放大bn,构成等差数列,直接得到不等式,因此(1)式才是解决问题的关键。
例3 已知函数f(x)的定义域为[0,1],且同时满足:①对任意x∈[0,1],总有f(x)≥2;
②f(1)=3;③若x1≥0,x2≥0,且x1+x2≤1,则有f(x1+x2)≥f(x1)+f(x2)-2
(1)求f(0)的值;
(2)求f(x)的最大值;
(3)设数列{an}的前n项和为Sn,且满足a1=1,Sn=-
(an-3),n∈N*
求证:f(a1)+f(a2)+f(a3)+…+f(an)≤ +2n-
解析:(1)f(0)=2; (2)f(x)的最大值为3;
(3)由Sn= - (an-3),a1=1易求得an= 。
依据③有
f(an)=f( )=f( + )≥f( )+f( )-2≥3f( )-4
即f(an+1)≤ f(an)+
∴f(an)≤ f (an-1)+ ≤ [ f(an-2)+ ]+ = f(an-2)+ + ≤…
≤ f(a1)+ + +…+ =2+
即f(an)≤2+
∴f(a1)+f(a2)+…+f(an)≤(2+ )+(2+ )+…+(2+ )=2n+ = +2n-
即f(a1)+f(a2)+…+f(an)≤ +2n-
点评:本题易受条件③的影响,将f(a1)+f(a2)+…+f(an)放大成f(a1)+f(a2+a3+…+an)+2(n-2),而f(a2+a3+…+an)=f( )≤3,结果不成立,方法失效,而应用有限循环推理,问题便迎刃而解。
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收稿日期:2014-10-10
例1 已知函数f(x)= ,x∈(0,+∞),数列{xn}满足xn+1=f(xn),且x1=1
(1)设an=|xn- |,证明:an+1
解析:(1)显然xn>0
an+1=|xn+1- |=|f(xn)- |= <( -1)|xn- |<|xn- |=an
即an+1
an< -1)|xn-1- |< -1)2|xn-2- |<…< -1)n-1|x1- |=( -1)n
∴Sn=a1+a2+a3+…+an
≤( -1)+( -1)2+( -1)3+…+( -1)n
= [1-( -1)n]
< =
即Sn<
点评:对an放大后,直接得到等比数列,求和后再放大即得所证不等式。
例2 已知数列{an}的前n项和Sn=2n-n2-1,n∈N*,记
bn= ,数列{bn}的前n项和为Tn,证明:
(1)bn+1
∴bn= = -
(1)用数学归纳法证明:
当n=1时,b2-b1= - < ;当n=2时,b3-b2= < ,不等式(1)成立。
假设n=k(k∈N*且k≥2)时不等式(1)成立,即
bk+1
当n=k+1时,bk+2-bk+1= = < = + ≤ ,
即bk+2
bn
≤b1+(b1+ )+(b1+ )+…+(b1+ )
= = n(n-1)
∴Tn≤ n(n-1)对一切n∈N*都成立。
点评:对于数列{bn},应用分项求和及错位相减法,可
得Tn= + -3,与所证结论差异较大,证明方向不明,
借助(1)式放大bn,构成等差数列,直接得到不等式,因此(1)式才是解决问题的关键。
例3 已知函数f(x)的定义域为[0,1],且同时满足:①对任意x∈[0,1],总有f(x)≥2;
②f(1)=3;③若x1≥0,x2≥0,且x1+x2≤1,则有f(x1+x2)≥f(x1)+f(x2)-2
(1)求f(0)的值;
(2)求f(x)的最大值;
(3)设数列{an}的前n项和为Sn,且满足a1=1,Sn=-
(an-3),n∈N*
求证:f(a1)+f(a2)+f(a3)+…+f(an)≤ +2n-
解析:(1)f(0)=2; (2)f(x)的最大值为3;
(3)由Sn= - (an-3),a1=1易求得an= 。
依据③有
f(an)=f( )=f( + )≥f( )+f( )-2≥3f( )-4
即f(an+1)≤ f(an)+
∴f(an)≤ f (an-1)+ ≤ [ f(an-2)+ ]+ = f(an-2)+ + ≤…
≤ f(a1)+ + +…+ =2+
即f(an)≤2+
∴f(a1)+f(a2)+…+f(an)≤(2+ )+(2+ )+…+(2+ )=2n+ = +2n-
即f(a1)+f(a2)+…+f(an)≤ +2n-
点评:本题易受条件③的影响,将f(a1)+f(a2)+…+f(an)放大成f(a1)+f(a2+a3+…+an)+2(n-2),而f(a2+a3+…+an)=f( )≤3,结果不成立,方法失效,而应用有限循环推理,问题便迎刃而解。
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收稿日期:2014-10-10