已知数列{an}\{a_{n}\}满足a1=1a_{1}=1,且an+1=2an3an+2(n∈N∗).(1)a_{n+1}=\dfrac{2{{a}_{n}}}{3{{a}_{n}}+2}(n\in N^{*}).(1)证明:数列{2an}\left\{\dfrac{2}{{{a}_{n}}}\right\}是等差数列,并求数列{an}\{a_{n}\}的通项公式; (2)设bn=anan+1(n∈N∗)b_{n}=a_{n}a_{n+1}(n\in N^{*}),数列{bn}\{b_{n}\}的前nn项和记为TnT_{n},证明:Tn<23.T_{n}< \dfrac{2}{3}.

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完整解法

(1)

1. 证明数列 $\{\frac{2}{a_n}\}$ 是等差数列

由已知 an+1=2an3an+2a_{n+1}=\dfrac{2a_{n}}{3a_{n}+2},两边取倒数得:
1an+1=3an+22an=32+1an\dfrac{1}{a_{n+1}} = \dfrac{3a_{n}+2}{2a_{n}} = \dfrac{3}{2} + \dfrac{1}{a_{n}}
等式两边同乘以 22 整理得:
2an+1−2an=3\dfrac{2}{a_{n+1}} - \dfrac{2}{a_{n}} = 3
因为对任意 n∈N∗n \in \mathbb{N}^*,2an+1−2an\dfrac{2}{a_{n+1}} - \dfrac{2}{a_{n}} 均为常数 33,且当 n=1n=1 时,2a1=21=2\dfrac{2}{a_1} = \dfrac{2}{1} = 2,
所以数列 {2an}\left\{\dfrac{2}{a_{n}}\right\} 是首项为 22,公差为 33 的等差数列。

2. 求数列 $\{a_n\}$ 的通项公式

由等差数列通项公式得:
2an=2a1+(n−1)d=2+3(n−1)=3n−1\dfrac{2}{a_n} = \dfrac{2}{a_1} + (n-1)d = 2 + 3(n-1) = 3n - 1
解得:
an=23n−1(n∈N∗)a_n = \dfrac{2}{3n-1} \quad (n \in \mathbb{N}^*)

答案

证明见解析,数列 {an}\{a_{n}\} 的通项公式为 an=23n−1a_{n}=\dfrac{2}{3n-1}.

(2)

1. 求出 $b_n$ 的表达式并进行裂项拆分

由 (1) 知 an=23n−1a_n = \dfrac{2}{3n-1},则 an+1=23(n+1)−1=23n+2a_{n+1} = \dfrac{2}{3(n+1)-1} = \dfrac{2}{3n+2}。
故 bn=anan+1=23n−1⋅23n+2=4(3n−1)(3n+2)b_n = a_n a_{n+1} = \dfrac{2}{3n-1} \cdot \dfrac{2}{3n+2} = \dfrac{4}{(3n-1)(3n+2)}。
利用裂项相消法可化为:
bn=43(13n−1−13n+2)b_n = \dfrac{4}{3} \left( \dfrac{1}{3n-1} - \dfrac{1}{3n+2} \right)

2. 求前 $n$ 项和 $T_n$ 并证明不等式 $T_n < \frac{2}{3}$

数列 {bn}\{b_n\} 的前 nn 项和 TnT_n 为:
Tn=b1+b2+⋯+bnT_n = b_1 + b_2 + \dots + b_n
=43[(12−15)+(15−18)+⋯+(13n−1−13n+2)]= \dfrac{4}{3} \left[ \left(\dfrac{1}{2} - \dfrac{1}{5}\right) + \left(\dfrac{1}{5} - \dfrac{1}{8}\right) + \dots + \left(\dfrac{1}{3n-1} - \dfrac{1}{3n+2}\right) \right]
=43(12−13n+2)=23−43(3n+2)= \dfrac{4}{3} \left( \dfrac{1}{2} - \dfrac{1}{3n+2} \right) = \dfrac{2}{3} - \dfrac{4}{3(3n+2)}
因为 n∈N∗n \in \mathbb{N}^*,所以 3n+2>03n+2 > 0,则 43(3n+2)>0\dfrac{4}{3(3n+2)} > 0。
因此 Tn=23−43(3n+2)<23T_n = \dfrac{2}{3} - \dfrac{4}{3(3n+2)} < \dfrac{2}{3},得证。

答案

证明见解析。

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