已知数列中,,,其前项和满足,其中,. Ⅰ求证:数列为等差数列,并求其通项公式; Ⅱ设,为数列的前项和. 求的表达式; 求使的的取值范围.
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完整解法
(Ⅰ)
1. 将 $S_n$ 的递推关系转化为 $a_n$ 的递推关系
由题意,当 时,,
变形得:.
因为 ,,
所以 ().
2. 验证 $n=1$ 时公差成立,得出数列 $\{a_n\}$ 为等差数列
当 时,.
因此,对于任意 ,均有 .
所以数列 是首项为 ,公差 的等差数列.
3. 求解通项公式 $a_n$
由等差数列通项公式,得:
.
数列 为等差数列,通项公式为
(Ⅱ)①
1. 写出 $b_n$ 及 $T_n$ 的展开式
由(Ⅰ)知 ,则 .
①
2. 利用错位相减法作差
方程①两边同乘以 得:
②
① - ② 得:
\dfrac{1}{2}T_{n} = \dfrac{2}{2^{1}} + \left( \dfrac{1}{2^{2}} + \dfrac{1}{2^{3}} + \dots + \dfrac{1}{2^{n}}
ight) - \dfrac{n+1}{2^{n+1}}
3. 求和并化简得到 $T_n$
中间括号内为首项为 、公比为 的等比数列前 项和:
\dfrac{1}{2}T_{n} = 1 + \dfrac{\dfrac{1}{4}\left(1 - \left(\dfrac{1}{2}
ight)^{n-1}
ight)}{1 - \dfrac{1}{2}} - \dfrac{n+1}{2^{n+1}}
= 1 + \dfrac{1}{2}\left(1 - \dfrac{1}{2^{n-1}}
ight) - \dfrac{n+1}{2^{n+1}}
.
两边同乘以 2,得:
.
(Ⅱ)②
1. 将不等式 $T_n > 2$ 化简为关于 $n$ 的简单指数不等式
由 ,不等式 即:
解得 ,即 .
2. 通过检验正整数 $n$ 确定满足不等式的 $n$ 的取值范围
当 时,,不满足;
当 时,,不满足;
当 时,,满足;
当 时,,满足.
由于当 时,指数函数 的增长速度远大于一次函数 ,故对于所有的 (),均有 成立.
所以使 的 的取值范围是 ().
(且 )
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