数列{an}\{a_{n}\}中,Sn=4−an−12n−2S_{n}=4-a_{n}- \dfrac {1}{2^{n-2}}. ((Ⅰ))求a1a_{1},a2a_{2},a3a_{3},a4a_{4}; ((Ⅱ))猜想ana_{n}的表达式,并用数学归纳法加以证明.

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完整解法

(Ⅰ)

1. 利用 $S_1 = a_1$ 求出 $a_1$ 的值

已知 Sn=4−an−12n−2S_{n}=4-a_{n}- \dfrac {1}{2^{n-2}}.
当 n=1n=1 时,S1=a1S_{1}=a_{1},代入公式得:
a1=4−a1−121−2=4−a1−2a_{1}=4-a_{1}- \dfrac {1}{2^{1-2}} = 4-a_{1}-2
解得:
2a1=2  ⟹  a1=12a_{1}=2 \implies a_{1}=1

2. 利用 $S_2 = a_1 + a_2$ 求出 $a_2$ 的值

当 n=2n=2 时,S2=a1+a2S_{2}=a_{1}+a_{2},代入公式得:
a1+a2=4−a2−122−2=4−a2−1a_{1}+a_{2}=4-a_{2}- \dfrac {1}{2^{2-2}} = 4-a_{2}-1
将 a1=1a_{1}=1 代入上式得:
1+a2=3−a2  ⟹  2a2=2  ⟹  a2=11+a_{2}=3-a_{2} \implies 2a_{2}=2 \implies a_{2}=1

3. 利用 $S_3 = a_1 + a_2 + a_3$ 求出 $a_3$ 的值

当 n=3n=3 时,S3=a1+a2+a3S_{3}=a_{1}+a_{2}+a_{3},代入公式得:
a1+a2+a3=4−a3−123−2=4−a3−12a_{1}+a_{2}+a_{3}=4-a_{3}- \dfrac {1}{2^{3-2}} = 4-a_{3}-\dfrac{1}{2}
将 a1=1,a2=1a_{1}=1, a_{2}=1 代入上式得:
2+a3=72−a3  ⟹  2a3=32  ⟹  a3=342+a_{3}=\dfrac{7}{2}-a_{3} \implies 2a_{3}=\dfrac{3}{2} \implies a_{3}=\dfrac{3}{4}

4. 利用 $S_4 = a_1 + a_2 + a_3 + a_4$ 求出 $a_4$ 的值

当 n=4n=4 时,S4=a1+a2+a3+a4S_{4}=a_{1}+a_{2}+a_{3}+a_{4},代入公式得:
a1+a2+a3+a4=4−a4−124−2=4−a4−14a_{1}+a_{2}+a_{3}+a_{4}=4-a_{4}- \dfrac {1}{2^{4-2}} = 4-a_{4}-\dfrac{1}{4}
将 a1=1,a2=1,a3=34a_{1}=1, a_{2}=1, a_{3}=\dfrac{3}{4} 代入上式得:
114+a4=154−a4  ⟹  2a4=1  ⟹  a4=12\dfrac{11}{4}+a_{4}=\dfrac{15}{4}-a_{4} \implies 2a_{4}=1 \implies a_{4}=\dfrac{1}{2}

答案

a1=1a_{1} = 1, a2=1a_{2} = 1, a3=34a_{3} = \frac{3}{4}, a4=12a_{4} = \frac{1}{2}

(Ⅱ)

1. 根据(Ⅰ)求出的前4项,猜想数列的通项公式

观察(Ⅰ)中的计算结果:
a1=1=120a_{1}=1=\dfrac{1}{2^{0}}
a2=1=221a_{2}=1=\dfrac{2}{2^{1}}
a3=34=322a_{3}=\dfrac{3}{4}=\dfrac{3}{2^{2}}
a4=12=423a_{4}=\dfrac{1}{2}=\dfrac{4}{2^{3}}
由此可以猜想,该数列的通项公式为:
an=n2n−1a_{n}=\dfrac{n}{2^{n-1}}

2. 使用数学归纳法:验证 $n=1$ 的情况

下面用数学归纳法证明该猜想:
① 当 n=1n=1 时,由上述公式可得 a1=120=1a_{1}=\dfrac{1}{2^{0}}=1,这与已知 a1=1a_{1}=1 相符,因此当 n=1n=1 时结论成立.

3. 写出归纳假设

② 假设当 n=k (k∈N∗)n=k\ (k \in \mathbb{N}^*) 时,结论成立,即:
ak=k2k−1a_{k}=\dfrac{k}{2^{k-1}}

4. 推导 $n=k+1$ 时的结论

那么当 n=k+1n=k+1 时,根据 SnS_n 的定义,有:
Sk+1=4−ak+1−12k−1S_{k+1}=4-a_{k+1}-\dfrac{1}{2^{k-1}}
Sk=4−ak−12k−2S_{k}=4-a_{k}-\dfrac{1}{2^{k-2}}
两式相减可得:
ak+1=Sk+1−Sk=(4−ak+1−12k−1)−(4−ak−12k−2)a_{k+1}=S_{k+1}-S_{k}=\left(4-a_{k+1}-\dfrac{1}{2^{k-1}}\right)-\left(4-a_{k}-\dfrac{1}{2^{k-2}}\right)
化简上式:
ak+1=−ak+1+ak−12k−1+12k−2a_{k+1}=-a_{k+1}+a_{k}-\dfrac{1}{2^{k-1}}+\dfrac{1}{2^{k-2}}
2ak+1=ak+12k−12a_{k+1}=a_{k}+\dfrac{1}{2^{k-1}}
将归纳假设 ak=k2k−1a_{k}=\dfrac{k}{2^{k-1}} 代入,得:
2ak+1=k2k−1+12k−1=k+12k−12a_{k+1}=\dfrac{k}{2^{k-1}}+\dfrac{1}{2^{k-1}}=\dfrac{k+1}{2^{k-1}}
从而解得:
ak+1=k+12ka_{k+1}=\dfrac{k+1}{2^{k}}
这说明当 n=k+1n=k+1 时结论也成立.

5. 下结论

综上所述,由 ① 和 ②,可知对任何 n∈N∗n \in \mathbb{N}^*,an=n2n−1a_{n}=\dfrac{n}{2^{n-1}} 都成立.

答案

猜想为 an=n2n−1a_{n}=\dfrac{n}{2^{n-1}},证明见步骤。

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