利用数学归纳法证明不等式 1+12+13+⋯+12n−1<f(n)(n⩾2,n∈N∗)1{+}\dfrac{1}{2}{+}\dfrac{1}{3}{+}\cdots {+}\dfrac{1}{{{2}^{n}}-1} < f\left( n \right)\left( n\geqslant 2,n\in {{N}^{*}} \right) 的过程中,由n=kn=k变成n=k+1n=k+1时,左边增加了 ()()
A. 11项
B. kk项
C. 2k−1{{2}^{k-1}}项
D. 2k{{2}^{k}}项

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完整解法

1. 写出 $n=k$ 时不等式左边的表达式

根据题意,当 n=kn=k(k⩾2,k∈N∗k \geqslant 2, k \in \mathbb{N}^*)时,不等式的左边为:
Sk=1+12+13+⋯+12k−1S_k = 1 + \dfrac{1}{2} + \dfrac{1}{3} + \cdots + \dfrac{1}{2^k-1}

2. 写出 $n=k+1$ 时不等式左边的表达式并找出增加的项

当 n=k+1n=k+1 时,不等式的左边为:
Sk+1=1+12+13+⋯+12k−1+12k+12k+1+⋯+12k+1−1S_{k+1} = 1 + \dfrac{1}{2} + \dfrac{1}{3} + \cdots + \dfrac{1}{2^k-1} + \dfrac{1}{2^k} + \dfrac{1}{2^k+1} + \cdots + \dfrac{1}{2^{k+1}-1}
对比 SkS_k 与 Sk+1S_{k+1},从 n=kn=k 变为 n=k+1n=k+1 时,左边增加的项为:
12k+12k+1+⋯+12k+1−1\dfrac{1}{2^k} + \dfrac{1}{2^k+1} + \cdots + \dfrac{1}{2^{k+1}-1}

3. 计算增加项的项数并得出结论

增加的项的分母是从 2k2^k 到 2k+1−12^{k+1}-1 的连续整数。
因此,增加的项数为:
(2k+1−1)−2k+1=2⋅2k−2k=2k(2^{k+1}-1) - 2^k + 1 = 2 \cdot 2^k - 2^k = 2^k
所以由 n=kn=k 变成 n=k+1n=k+1 时,左边增加了 2k2^k 项。
故选 D。

答案

D

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