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设无穷数列 {an} 满足 xn+1=x122x1(x12+1)xn, 其中 x1>0, 且 x11.

  1. 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 mN, 使得对任意的 kN, 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. 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)t22x1t+x12=0, 这个方程的判别式为 Δ=4x124x12(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x1=tanθ, θ(0,π2)\{π4}. 注意到 x2=tan2θ2tanθ(tan2θ+1)tanθ=sinθcosθ2cos2θ1=sinθcosθcos2θ. 再结合 x1=tanθ=sinθcos0θcos1θ, 我们大胆猜测 xn=sinθcos(n1)θcosnθ. 因为 x122x1(x12+1)xn=tan2θ2tanθ(tan2θ+1)sinθcos(n1)θcosnθ=sinθ2cosθcos(n1)θcosnθ=sinθcosnθ2cosθcosnθcos[nθθ]=sinθcosnθcosθcosnθsinθsinnθ=sinθcosnθcos(n+1)θ, 这样根据数学归纳法我们的猜测成立!
    m 的最小值为 T, 则 xT+1=x1sinθcosTθcos(T+1)θ=tanθcosTθcosθ=cos(T+1)θ, 也即 sinTθsinθ=0sinTθ=0Tθ=pπ,pN.T 是最小正周期,也即最小的让 Tθπ 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 1mn=1mxn=1mn=1msinθ(cosnθcosθ+sinnθsinθ)cosnθ=12sinθ+sin2θmn=1mtannθ=12sin2θ+sin2mθn=1m12(tannθ+tan(mn)θ)+sin2θtanmθm=12sin2θ+sin2mθn=1m12(tannθtannθ)+0=12sin2θ<12.