设数列{an}\{a_{n}\}的前nn项和为SnS_{n},且 Sn=n2−4n+4S_{n}=n^{2}-4n+4. (1)求数列{an}\{a_{n}\}的通项公式; (2)设bn=an2nb_{n}= \dfrac {a_{n}}{2^{n}},数列{bn}\{b_{n}\}的前nn项和为TnT_{n},求证:14⩽Tn<1 \dfrac {1}{4}\leqslant T_{n} < 1.

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完整解法

(1)

1. 求当 $n=1$ 时 $a_1$ 的值

当 n=1n = 1 时,a1=S1=12−4×1+4=1a_1 = S_1 = 1^2 - 4 \times 1 + 4 = 1.

2. 求当 $n \ge 2$ 时 $a_n$ 的表达式并讨论是否可统一

当 n≥2n \ge 2 时,
an=Sn−Sn−1=(n2−4n+4)−[(n−1)2−4(n−1)+4]a_n = S_n - S_{n-1} = (n^2 - 4n + 4) - [(n-1)^2 - 4(n-1) + 4]
=(n2−4n+4)−(n2−6n+9)=2n−5= (n^2 - 4n + 4) - (n^2 - 6n + 9) = 2n - 5
检验:当 n=1n = 1 时,2(1)−5=−3≠12(1) - 5 = -3 \neq 1,因此当 n=1n = 1 时不满足上式.
综上所述,数列 {an}\{a_n\} 的通项公式为:
an={1,n=12n−5,n≥2a_n = \begin{cases} 1, & n = 1 \\ 2n - 5, & n \ge 2 \end{cases}

答案

an={1,n=12n−5,n≥2a_n = \begin{cases} 1, & n = 1 \\ 2n - 5, & n \ge 2 \end{cases}

(2)

1. 写出 $b_n$ 的分段表达形式及 $T_n$ 的组成

由(1)可知,bn=an2nb_n = \dfrac{a_n}{2^n},则:
当 n=1n = 1 时,b1=a121=12b_1 = \dfrac{a_1}{2^1} = \dfrac{1}{2};
当 n≥2n \ge 2 时,bn=2n−52nb_n = \dfrac{2n-5}{2^n}.
当 n=1n = 1 时,T1=b1=12T_1 = b_1 = \dfrac{1}{2}.

2. 用错位相减法求当 $n \ge 2$ 时 $T_n$ 的表达式

当 n≥2n \ge 2 时,
Tn=12+(−122+123+324+⋯+2n−52n)T_n = \dfrac{1}{2} + \left( \dfrac{-1}{2^2} + \dfrac{1}{2^3} + \dfrac{3}{2^4} + \dots + \dfrac{2n-5}{2^n} \right)
设 An=−122+123+324+⋯+2n−52nA_n = \dfrac{-1}{2^2} + \dfrac{1}{2^3} + \dfrac{3}{2^4} + \dots + \dfrac{2n-5}{2^n},则:
12An=−123+124+⋯+2n−72n+2n−52n+1\dfrac{1}{2} A_n = \dfrac{-1}{2^3} + \dfrac{1}{2^4} + \dots + \dfrac{2n-7}{2^n} + \dfrac{2n-5}{2^{n+1}}
两式相减得:
12An=−14+(223+224+⋯+22n)−2n−52n+1\dfrac{1}{2} A_n = -\dfrac{1}{4} + \left( \dfrac{2}{2^3} + \dfrac{2}{2^4} + \dots + \dfrac{2}{2^n} \right) - \dfrac{2n-5}{2^{n+1}}
=−14+(122+123+⋯+12n−1)−2n−52n+1= -\dfrac{1}{4} + \left( \dfrac{1}{2^2} + \dfrac{1}{2^3} + \dots + \dfrac{1}{2^{n-1}} \right) - \dfrac{2n-5}{2^{n+1}}
由等比数列求和公式:
122+123+⋯+12n−1=14(1−(12)n−2)1−12=12−12n−1\dfrac{1}{2^2} + \dfrac{1}{2^3} + \dots + \dfrac{1}{2^{n-1}} = \dfrac{\frac{1}{4}\left(1 - \left(\frac{1}{2}\right)^{n-2}\right)}{1 - \frac{1}{2}} = \dfrac{1}{2} - \dfrac{1}{2^{n-1}}
代入得:
12An=−14+12−12n−1−2n−52n+1=14−2n−12n+1\dfrac{1}{2} A_n = -\dfrac{1}{4} + \dfrac{1}{2} - \dfrac{1}{2^{n-1}} - \dfrac{2n-5}{2^{n+1}} = \dfrac{1}{4} - \dfrac{2n-1}{2^{n+1}}
解得 An=12−2n−12nA_n = \dfrac{1}{2} - \dfrac{2n-1}{2^n}.
因此,当 n≥2n \ge 2 时,Tn=12+An=1−2n−12nT_n = \dfrac{1}{2} + A_n = 1 - \dfrac{2n-1}{2^n}.

3. 讨论 $T_n$ 的取值范围并得出结论

当 n=1n = 1 时,T1=12T_1 = \dfrac{1}{2};
当 n=2n = 2 时,T2=1−34=14T_2 = 1 - \dfrac{3}{4} = \dfrac{1}{4};
当 n≥2n \ge 2 时,由于 2n−1>02n - 1 > 0,所以 2n−12n>0\dfrac{2n-1}{2^n} > 0,故 Tn=1−2n−12n<1T_n = 1 - \dfrac{2n-1}{2^n} < 1.
同时,当 n≥2n \ge 2 时,Tn+1−Tn=bn+1=2n−32n+1>0T_{n+1} - T_n = b_{n+1} = \dfrac{2n-3}{2^{n+1}} > 0,因此数列 {Tn}\{T_n\} 在 n≥2n \ge 2 时单调递增.
故 T2≤T3<T4<⋯<1T_2 \le T_3 < T_4 < \dots < 1,其中最小值为 T2=14T_2 = \dfrac{1}{4}.
又因为 T1=12>14T_1 = \dfrac{1}{2} > \dfrac{1}{4},所以对任意正整数 nn,均有 14⩽Tn<1\dfrac{1}{4} \leqslant T_n < 1 得证.

答案

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