1673

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已知数列 {an} 和 {θn}, Sn 为数列 {an} 的前 n 项和, a1=1, θn∈(0,π2), 且 Sn=12+32tan⁡θn, an+1=32cos⁡θn.

  1. 求 a2,a3;
  2. 求数列 {an} 的通项公式;
  3. 求证: Sn≤2+3(2n−2−1).
解答

  1. 解 由 S1=12+32tan⁡θ1=a1=1, 得 θ1=π6, 所以 a2=32cos⁡θ1=1.
    再由 S2=12+32tan⁡θ2=a1+a2=2, 得 θ2=π3, 所以 a3=32cos⁡θ2=3.
  2. 解 因为 an+1=Sn+1−Sn=32(tan⁡θn+1−tan⁡θn)=32cos⁡θn, 所以 tan⁡θn+1=tan⁡θn+1cos⁡θn=2tan⁡θn21−tan2⁡θn2+1+tan2⁡θn21−tan2⁡θn2=1+tan⁡θn21−tan⁡θn2=tan⁡(θn2+π4). 而 θn+1,θn2+π4∈(0,π2), 所以 θn+1=12θn+π4⇒θn+1−π2=12(θn−π2). 这样 {θn−π2} 是以 −π3 为首项, 12 为公比的等比数列, 所以 θn=π2−π3(12)n−1, 进而 an=32cos⁡θn−1=32sin⁡(π3⋅2n−2). (需要单独验证 a1=1 也满足这个表达式).
  3. 证明 当 n=1 或 2 时, 直接验证不等式成立. 当 n≥3, 只需证明 an≤3⋅2n−3, 这样 Sn=2+∑i=3nai≤2+∑i=0n−33⋅2i=2+3(2n−2−1). 而这等价于证明 sin⁡(π3⋅2n−2)≥12n−2. 为此, 构造 f(x)=sin⁡x−3xπ, x∈(0,π6], 则 f′(x)=cos⁡x−3π, f″(x)=−sin⁡x<0; 而 f′(0)=1−3π>0, f′(π6)=32−3π<0, 所以 f′(x) 存在唯一零点 x0, 则 f(x) 在 (0,x0) 上增, 在 (x0,π6) 上减, 所以 f(x)≥min{f(0),f(π6)}=0, 这样 f(π3⋅2n−2)≥0, 我们就完成了证明.

3 中的不等式有明确的几何意义. 3xπ 是 y=sin⁡x 上的点 (π6,12) 和 (0,0) 的连线, 它是 y=sin⁡x 的一条割线. y=sin⁡x 在 (0,π6) 上上凸, 所以会在它割线的上方.