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设数列 {an} 满足 a1=2,an+1=2sin⁡an2,证明: ∑n=12024an<314.

证明

记 bn=an2, 则 b1=1,bn+1=sin⁡bn. 下面用数学归纳法证明 bn<3n. 这对 n=1 显然. 事实上只需要证明sin⁡3n<3n+1⟺2sin2⁡3n=1−cos⁡23n<6n+1.
做换元 t=23n≤23, 则要证明 g(t)=cos⁡t+6t212+t2−1>0.
求导得 g′(t)=−sin⁡t+144t(12+t2)2≥−t+t36−t5120+144t(12+t2)2=t5(216−4t2−t4)120(12+t2)2>0. 这里对分子用到了 t≤23. 从而 g(t)>g(0)=0.
因此不等式得证! 因此∑n=12024bn<23∑n=1202412n<23∑n=120241n+n−1=23∑n=12024(n−n−1)=23⋅2024<903<157,
从而∑n=12024an<314, 得证!

sin⁡x, cos⁡x 和它们的泰勒展开式有交错的大小关系. 以 sin⁡x,x>0 为例, 我们依次有 sin⁡x≤1,sin⁡x≥1−x33!,sin⁡x≤1−x33!+x55! 等等. 这为我们构造不等式放缩提供了一个良好的抓手.