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设无穷数列 {an} 满足 xn+1=x122x1−(x12+1)xn, 其中 x1>0, 且 x1≠1.

  1. 若 x1=3, 写出 x2,x4, 并求 ∑i=120261xi;
  2. 证明: {xn} 不是单调数列;
  3. 已知存在 m∈N∗, 使得对任意的 k∈N∗, xm+k=xk. 证明: m 的最小值是奇数, 且 x1,x2,⋯,xm 的算术平均数小于 12.
解答

  1. 解 直接计算得 x2=−32, x3=34, x4=3. 于是 {xn} 是以 3 为周期的周期数列, {1xn} 自然也是, 从而 ∑i=120261xi=675(1x1+1x2+1x3)+1x1=202633.

  2. 证明 假设 {xn} 单调.

    • 如果存在 xk<0, 则 xk+1=x122x1−(x12+1)xk>0, 于是 xk+1>xk, xk<x1, 产生矛盾.
    • 否则, ∀n,xn>0 (因为 {xn} 肯定没有零项), 因此要求 xn<2x1x12+1. 这样, {xn} 既单调又有界, 所以收敛, 记极限为 t. 对递推式取极限: t=x122x1−(x12+1)t⇒(x12+1)t2−2x1t+x12=0, 这个方程的判别式为 Δ=4x12−4x12(x12+1)<0, 说明极限压根不存在, 产生矛盾!

    综上, {xn} 不是单调数列.

  3. 证明 设 x1=tan⁡θ, θ∈(0,π2)\{π4}. 注意到 x2=tan2⁡θ2tan⁡θ−(tan2⁡θ+1)tan⁡θ=sin⁡θcos⁡θ2cos2⁡θ−1=sin⁡θcos⁡θcos⁡2θ. 再结合 x1=tan⁡θ=sin⁡θcos⁡0θcos⁡1θ, 我们大胆猜测 xn=sin⁡θcos⁡(n−1)θcos⁡nθ. 因为 x122x1−(x12+1)xn=tan2⁡θ2tan⁡θ−(tan2⁡θ+1)sin⁡θcos⁡(n−1)θcos⁡nθ=sin⁡θ2cos⁡θ−cos⁡(n−1)θcos⁡nθ=sin⁡θcos⁡nθ2cos⁡θcos⁡nθ−cos⁡[nθ−θ]=sin⁡θcos⁡nθcos⁡θcos⁡nθ−sin⁡θsin⁡nθ=sin⁡θcos⁡nθcos⁡(n+1)θ, 这样根据数学归纳法我们的猜测成立!
    记 m 的最小值为 T, 则 xT+1=x1⇒sin⁡θcos⁡Tθcos⁡(T+1)θ=tan⁡θ⇒cos⁡Tθcos⁡θ=cos⁡(T+1)θ, 也即 sin⁡Tθsin⁡θ=0⇒sin⁡Tθ=0⇒Tθ=pπ,p∈N∗. 而 T 是最小正周期,也即最小的让 Tθ 是 π 的整数倍的取值, 所以 T,p 互质. 如果 T 是偶数, 则 p 是奇数, 这样 cos⁡(T2θ)=cos⁡(p2π)=0, 从而 xT2 项的分母为 0, 这和"无穷数列"的假设矛盾! 所以 T 只能是奇数.
    现在我们计算算术平均值 1m∑n=1mxn=1m∑n=1msin⁡θ(cos⁡nθcos⁡θ+sin⁡nθsin⁡θ)cos⁡nθ=12sin⁡θ+sin2⁡θm∑n=1mtan⁡nθ=12sin⁡2θ+sin2mθ∑n=1m−12(tan⁡nθ+tan⁡(m−n)θ)+sin2⁡θtan⁡mθm=12sin⁡2θ+sin2mθ∑n=1m−12(tan⁡nθ−tan⁡nθ)+0=12sin⁡2θ<12.