已知数列{an}\{a_{n}\}中,a1=2a_{1}=2,a2=3a_{2}=3,其前nn项和SnS_{n}满足Sn+1+Sn−1=2Sn+1S_{n+1}+S_{n-1}=2S_{n}+1,其中n⩾2n\geqslant 2,n∈N∗n∈N^{*}. ((Ⅰ))求证:数列{an}\{a_{n}\}为等差数列,并求其通项公式; ((Ⅱ))设bn=an⋅2−nb_{n}=a_{n}⋅2^{-n},TnT_{n}为数列{bn}\{b_{n}\}的前nn项和. ①①求TnT_{n}的表达式; ②②求使Tn>2T_{n} > 2的nn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 n⩾2n \geqslant 2 时,Sn+1+Sn−1=2Sn+1S_{n+1} + S_{n-1} = 2S_{n} + 1,
变形得:(Sn+1−Sn)−(Sn−Sn−1)=1(S_{n+1} - S_{n}) - (S_{n} - S_{n-1}) = 1.
因为 Sn+1−Sn=an+1S_{n+1} - S_{n} = a_{n+1},Sn−Sn−1=anS_{n} - S_{n-1} = a_{n},
所以 an+1−an=1a_{n+1} - a_{n} = 1(n⩾2n \geqslant 2).

2. 验证 $n=1$ 时公差成立,得出数列 $\{a_n\}$ 为等差数列

当 n=1n=1 时,a2−a1=3−2=1a_{2} - a_{1} = 3 - 2 = 1.
因此,对于任意 n∈N∗n \in \mathbb{N}^*,均有 an+1−an=1a_{n+1} - a_{n} = 1.
所以数列 {an}\{a_{n}\} 是首项为 a1=2a_{1} = 2,公差 d=1d = 1 的等差数列.

3. 求解通项公式 $a_n$

由等差数列通项公式,得:
an=a1+(n−1)d=2+(n−1)imes1=n+1a_{n} = a_{1} + (n - 1)d = 2 + (n - 1) imes 1 = n + 1.

答案

数列 {an}\{a_{n}\} 为等差数列,通项公式为 an=n+1a_{n} = n + 1

(Ⅱ)①

1. 写出 $b_n$ 及 $T_n$ 的展开式

由(Ⅰ)知 an=n+1a_{n} = n + 1,则 bn=(n+1)⋅2−n=n+12nb_{n} = (n + 1) \cdot 2^{-n} = \dfrac{n+1}{2^{n}}.
Tn=221+322+423+⋯+n+12nT_{n} = \dfrac{2}{2^{1}} + \dfrac{3}{2^{2}} + \dfrac{4}{2^{3}} + \dots + \dfrac{n+1}{2^{n}} ①

2. 利用错位相减法作差

方程①两边同乘以 12\dfrac{1}{2} 得:
12Tn=222+323+⋯+n2n+n+12n+1\dfrac{1}{2}T_{n} = \dfrac{2}{2^{2}} + \dfrac{3}{2^{3}} + \dots + \dfrac{n}{2^{n}} + \dfrac{n+1}{2^{n+1}} 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 14\dfrac{1}{4}、公比为 12\dfrac{1}{2} 的等比数列前 n−1n-1 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}}
=32−12n−n+12n+1=32−n+32n+1= \dfrac{3}{2} - \dfrac{1}{2^{n}} - \dfrac{n+1}{2^{n+1}} = \dfrac{3}{2} - \dfrac{n+3}{2^{n+1}}.
两边同乘以 2,得:
Tn=3−n+32nT_{n} = 3 - \dfrac{n+3}{2^{n}}.

答案

Tn=3−n+32nT_{n} = 3 - \dfrac{n+3}{2^{n}}

(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 Tn=3−n+32nT_{n} = 3 - \dfrac{n+3}{2^{n}},不等式 Tn>2T_{n} > 2 即:
3−n+32n>23 - \dfrac{n+3}{2^{n}} > 2
解得 n+32n<1\dfrac{n+3}{2^{n}} < 1,即 2n>n+32^{n} > n + 3.

2. 通过检验正整数 $n$ 确定满足不等式的 $n$ 的取值范围

当 n=1n = 1 时,21=2<1+3=42^{1} = 2 < 1 + 3 = 4,不满足;
当 n=2n = 2 时,22=4<2+3=52^{2} = 4 < 2 + 3 = 5,不满足;
当 n=3n = 3 时,23=8>3+3=62^{3} = 8 > 3 + 3 = 6,满足;
当 n=4n = 4 时,24=16>4+3=72^{4} = 16 > 4 + 3 = 7,满足.
由于当 n⩾3n \geqslant 3 时,指数函数 2n2^n 的增长速度远大于一次函数 n+3n+3,故对于所有的 n⩾3n \geqslant 3(n∈N∗n \in \mathbb{N}^*),均有 2n>n+32^n > n + 3 成立.
所以使 Tn>2T_{n} > 2 的 nn 的取值范围是 n⩾3n \geqslant 3(n∈N∗n \in \mathbb{N}^*).

答案

n⩾3n \geqslant 3(且 n∈N∗n \in \mathbb{N}^*)

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