1673

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已知数列 {an}{θn}, Sn 为数列 {an} 的前 n 项和, a1=1, θn(0,π2), 且 Sn=12+32tanθn, an+1=32cosθn.

  1. a2,a3;
  2. 求数列 {an} 的通项公式;
  3. 求证: Sn2+3(2n21).
解答

  1. S1=12+32tanθ1=a1=1, 得 θ1=π6, 所以 a2=32cosθ1=1.
    再由 S2=12+32tanθ2=a1+a2=2, 得 θ2=π3, 所以 a3=32cosθ2=3.
  2. 因为 an+1=Sn+1Sn=32(tanθn+1tanθn)=32cosθn, 所以 tanθn+1=tanθn+1cosθn=2tanθn21tan2θn2+1+tan2θn21tan2θn2=1+tanθn21tanθn2=tan(θn2+π4).θn+1,θn2+π4(0,π2), 所以 θn+1=12θn+π4θn+1π2=12(θnπ2). 这样 {θnπ2} 是以 π3 为首项, 12 为公比的等比数列, 所以 θn=π2π3(12)n1, 进而 an=32cosθn1=32sin(π32n2). (需要单独验证 a1=1 也满足这个表达式).
  3. 证明n=12 时, 直接验证不等式成立. 当 n3, 只需证明 an32n3, 这样 Sn=2+i=3nai2+i=0n332i=2+3(2n21). 而这等价于证明 sin(π32n2)12n2. 为此, 构造 f(x)=sinx3xπ, x(0,π6], 则 f(x)=cosx3π, f(x)=sinx<0; 而 f(0)=13π>0, f(π6)=323π<0, 所以 f(x) 存在唯一零点 x0, 则 f(x)(0,x0) 上增, 在 (x0,π6) 上减, 所以 f(x)min{f(0),f(π6)}=0, 这样 f(π32n2)0, 我们就完成了证明.

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