已知SnS_{n}是数列{n2n−1}\{\dfrac{n}{{{2}^{n-1}}}\}的前nn项和,若不等式∣λ+1∣<Sn+n2n−1|\lambda +1| < {{S}_{n}}+\dfrac{n}{{{2}^{n-1}}}对一切n∈N∗n∈N^{*}恒成立,则λλ的取值范围是___.

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完整解法

1. 利用错位相减法求出数列 $S_n$ 的表达式

由题意可知,Sn=1+2⋅12+3⋅14+⋯+n⋅12n−1S_n = 1 + 2\cdot \frac{1}{2} + 3\cdot \frac{1}{4} + \dots + n\cdot \frac{1}{2^{n-1}}
两边同乘以 12\frac{1}{2} 得:
12Sn=1⋅12+2⋅14+⋯+(n−1)⋅12n−1+n⋅12n\frac{1}{2}S_n = 1\cdot \frac{1}{2} + 2\cdot \frac{1}{4} + \dots + (n-1)\cdot \frac{1}{2^{n-1}} + n\cdot \frac{1}{2^n}
两式相减得:
12Sn=1+12+14+⋯+12n−1−n2n\frac{1}{2}S_n = 1 + \frac{1}{2} + \frac{1}{4} + \dots + \frac{1}{2^{n-1}} - \frac{n}{2^n}
对于前 nn 项利用等比数列求和公式:
12Sn=1−(1/2)n1−1/2−n2n=2−22n−n2n=2−n+22n\frac{1}{2}S_n = \frac{1 - (1/2)^n}{1 - 1/2} - \frac{n}{2^n} = 2 - \frac{2}{2^n} - \frac{n}{2^n} = 2 - \frac{n+2}{2^n}
解得:Sn=4−n+22n−1S_n = 4 - \frac{n+2}{2^{n-1}}

2. 化简 $S_n + \frac{n}{2^{n-1}}$ 的表达式

令 Tn=Sn+n2n−1T_n = S_n + \frac{n}{2^{n-1}},代入 SnS_n 的结果得:
Tn=4−n+22n−1+n2n−1=4−22n−1=4−12n−2T_n = 4 - \frac{n+2}{2^{n-1}} + \frac{n}{2^{n-1}} = 4 - \frac{2}{2^{n-1}} = 4 - \frac{1}{2^{n-2}}

3. 分析 $T_n$ 的单调性以求其最小值

因为 n∈N∗n \in \mathbb{N}^*,当 nn 增大时,指数式 2n−22^{n-2} 单调递增,故 12n−2\frac{1}{2^{n-2}} 单调递减。
所以 Tn=4−12n−2T_n = 4 - \frac{1}{2^{n-2}} 随着 nn 的增大而单调递增。
因此当 n=1n = 1 时,TnT_n 取得最小值:
Tmin⁡=T1=4−121−2=4−2=2T_{\min} = T_1 = 4 - \frac{1}{2^{1-2}} = 4 - 2 = 2

4. 根据恒成立条件求解绝对值不等式

若不等式 ∣λ+1∣<Sn+n2n−1|\lambda + 1| < S_n + \frac{n}{2^{n-1}} 对一切 n∈N∗n \in \mathbb{N}^* 恒成立,
则只需 ∣λ+1∣<Tmin⁡|\lambda + 1| < T_{\min}
即 ∣λ+1∣<2|\lambda + 1| < 2
展开得 −2<λ+1<2-2 < \lambda + 1 < 2
解得 −3<λ<1-3 < \lambda < 1

答案

−3<λ<1-3 < \lambda < 1

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