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已知数列 {an} 为无穷数列, 前 n 项和为 Sn.

  1. a1=1, Sn=an+1, 求 {an} 的通项公式;
  2. 是否存在等差数列 {an}, 使 Sn<an+1? 若存在, 请写出一个满足条件的通项公式. 若不存在, 请说明理由.
  3. 若数列 {an} 为等比数列, 公比为 q, 且满足 Sn<an+1, 求 q 的取值范围.

  1. Sn=an+1, 有 Sn+1=an+2, 作差得 an+2=2an+1. 而 S1=a1=a2=1, 所以 {an} 从第二项开始是 2 为公比的等差数列, 从而 an={1,n=1,2n2,n2.

  2. 不存在. 如果存在, 设 an=a+nd, 则原不等式等价于 (2a+(n+1)d)n2<a+(n+1)d2a(n1)+(n+1)(n2)d.n=1, 得 d>0. 当 n>1, 移项得 a<d(n+1)(n2)2(n1)=d2(n2n1), 这样的 a 不存在.

  3. 代入 n=1, 有 a1(1q)<0, 从而 q1. 这样代入求和公式, 原不等式等价于 a11q(1(2q)qn)<0.a1(1q)<0 可以推出 a11q<0, 从而要求 1+(q2)qn>0,n2.
    首先必要性探路, 考虑 n=2 的情形, 解得 q32q2+1=(q1)(q2q1)>0q(152,0)(0,1)(1+52,+).

    • q(152,0), 则 1<q<0. 因此只需要验证 n 是偶数的情形: (q2)qn+1(q2)q2+1>0, 这就是我们前面求解的不等式.
    • q(0,1), (q2)qn+1>(q2)q+1=(1q)2>0.
    • q(1+52,2), 不等式等价于 qn<12q. 但是 q>1, 所以 n 充分大时这个不等式不成立.
    • q(2,+), 可以和 (0,1) 一样放缩, 是成立的.

    综上, q(152,0)(0,1)[2,+).