‹ 回去

5.2 数列与不等式

数列的概念、通项公式及前n项和 · 高二
讲清楚它是什么

定义 利用数列的单调性、有界性或递推关系,推导项与项、项与常数之间的不等关系。

从哪来 本节为起点,无前置知识点记录。

为什么 数列本质是定义在正整数集上的离散函数。不等式是描述数值大小关系的工具。将两者结合,是因为数列往往具有递推结构($a_{n+1}$ 与 $a_n$ 相关),直接求通项公式往往困难或无解。通过不等式放缩(如夹逼、累加、累乘),可以将复杂的递推关系转化为可计算的范围,从而确定数列的极限、最值或证明其收敛性。这是处理“动态变化量”与“静态界限”之间矛盾的核心逻辑。

适合类型:逻辑严密、擅长代数推导的学生** **核心思路:单调有界定理与放缩法** 1. **单调性判断
计算 $a_{n+1} - a_n$ 或 $\frac{a_{n+1}}{a_n}$,判断数列是递增还是递减。 2. 有界性寻找:通过观察前几项或递推式,猜测并证明 $a_n < M$ 或 $a_n > m$。 3. 放缩技巧: * 裂项相消:将 $a_n$ 拆分为 $b_n - b_{n+1}$ 形式,利用 $b_n > b_{n+1}$ 进行放缩。 * 基本不等式:利用 $a+b \ge 2\sqrt{ab}$ 或 $\frac{a+b}{2} \ge \sqrt{ab}$ 对递推式中的非线性项进行线性化或简化。 4. 结论:若数列单调且有界,则极限存在;若需证明 $a_n < C$,则通过数学归纳法或放缩累加完成。
适合类型:直观思维强、对函数图像敏感的学生** **核心思路:图像法与迭代收敛** 1. **函数视角
将递推式 $a_{n+1} = f(a_n)$ 看作函数 $y=f(x)$ 的迭代。 2. 不动点分析:解方程 $x = f(x)$ 得到不动点 $x_0$。 3. 图像观察: * 画出 $y=x$ 和 $y=f(x)$ 的图像。 * 观察交点 $x_0$ 附近的斜率 $|f'(x_0)|$。若 $|f'(x_0)| < 1$,则数列收敛于 $x_0$。 * 通过图像直观判断 $a_n$ 是从上方逼近还是下方逼近 $x_0$,从而确定不等号方向($a_n > x_0$ 或 $a_n < x_0$)。 4. 验证:用图像得出的不等式方向作为猜想,再用代数方法(如归纳法)严格证明。
适合类型:计算能力强、喜欢模式识别的学生** **核心思路:构造辅助数列与累乘/累加** 1. **识别结构
* 若 $a_{n+1} = a_n + k$,则 $a_n = a_1 + (n-1)k$,直接比较。 * 若 $a_{n+1} = a_n \cdot k$,则 $a_n = a_1 \cdot k^{n-1}$,利用指数性质比较。 * 若 $a_{n+1} = \frac{a_n}{a_n + k}$ 或类似分式,取倒数构造新数列 $b_n = \frac{1}{a_n}$,转化为线性递推。 2. 累乘/累加放缩: * 对于乘积型 $P_n = a_1 a_2 \dots a_n$,若 $a_n < b_n$,则 $P_n < B_n$。 * 对于求和型 $S_n = \sum a_n$,若 $a_n < c \cdot r^n$ ($0应用:常用于证明 $S_n < K$ 或 $a_n < \epsilon$ 的问题。
看不明白?看一段视频 ▾待生成
练一道
基础题
已知数列 $\{a_n\}$ 满足 $a_1 = 1$,$a_{n+1} = a_n + \frac{1}{a_n^2}$。证明:对于任意 $n \ge 1$,有 $a_n > 1$。
变式
已知数列 $\{a_n\}$ 满足 $a_1 = 1$,$a_{n+1} = \frac{a_n}{2 + a_n}$。证明:$0 < a_n < \frac{1}{n}$ 对 $n \ge 2$ 成立。
试试手自己判
检测题
已知数列 $\{a_n\}$ 满足 $a_1 = 1$,$a_{n+1} = a_n + \frac{1}{a_n}$。 判断下列命题真假: A. 数列 $\{a_n\}$ 单调递减 B. $a_n < \sqrt{2n}$ 对所有 $n \ge 1$ 成立 C. $a_n > \sqrt{2n}$ 对所有 $n \ge 2$ 成立 D. 数列 $\{a_n\}$ 有界
看答案和判分标准
答案:C
判对标准:
1. 排除A:$a_{n+1} = a_n + \frac{1}{a_n} > a_n$,单调递增。A错。
2. 排除D:单调递增且 $a_1=1$,显然无界(趋向无穷)。D错。
3. 分析B/C:
考察 $a_{n+1}^2 = (a_n + \frac{1}{a_n})^2 = a_n^2 + 2 + \frac{1}{a_n^2}$。
累加得:$a_n^2 = a_1^2 + \sum_{k=1}^{n-1} (2 + \frac{1}{a_k^2}) = 1 + 2(n-1) + \sum_{k=1}^{n-1} \frac{1}{a_k^2} = 2n - 1 + \sum_{k=1}^{n-1} \frac{1}{a_k^2}$。
因为 $a_k \ge 1$,所以 $\frac{1}{a_k^2} > 0$。
故 $a_n^2 > 2n - 1$。
当 $n=1$,$a_1^2 = 1$,$2n = 2$,$1 < 2$,B可能对,C错($n=1$时C不成立,但C说 $n \ge 2$)。
当 $n=2$,$a_2 = 1 + 1 = 2$,$a_2^2 = 4$。$2n = 4$。$a_2 = \sqrt{4}$。
当 $n=3$,$a_3 = 2 + 1/2 = 2.5$,$a_3^2 = 6.25$。$2n = 6$。$6.25 > 6$,即 $a_3 > \sqrt{6}$。
由 $a_n^2 = 2n - 1 + \sum_{k=1}^{n-1} \frac{1}{a_k^2}$。
对于 $n \ge 2$,$\sum_{k=1}^{n-1} \frac{1}{a_k^2} \ge \frac{1}{a_1^2} = 1$。
所以 $a_n^2 \ge 2n - 1 + 1 = 2n$。
即 $a_n \ge \sqrt{2n}$。
等号成立条件:$\sum_{k=1}^{n-1} \frac{1}{a_k^2} = 1$。
当 $n=2$,$\sum_{k=1}^{1} \frac{1}{a_k^2} = 1$,等号成立,$a_2 = \sqrt{4}$。
当 $n > 2$,$\sum_{k=1}^{n-1} \frac{1}{a_k^2} > 1$(因为增加了正项),所以 $a_n^2 > 2n$,即 $a_n > \sqrt{2n}$。
所以 C 正确($n \ge 2$ 时严格大于,$n=2$ 时等于,题目若为 $\ge$ 则更稳,但通常此类题考察 $a_n^2 > 2n-1$ 且 $a_n^2 \ge 2n$)。
修正:$a_2 = 2, \sqrt{4}=2$。$a_3 = 2.5, \sqrt{6} \approx 2.45$。$a_3 > \sqrt{6}$。
所以 $a_n \ge \sqrt{2n}$ 对 $n \ge 1$ 成立($n=1$ 时 $1 < \sqrt{2}$,B错)。
等等,$n=1$ 时 $a_1=1, \sqrt{2} \approx 1.414$。$1 < 1.414$。所以 B 在 $n=1$ 成立。
$n=2$ 时 $a_2=2, \sqrt{4}=2$。$2=2$。B 说 $<$,所以 B 错。
$n=3$ 时 $a_3=2.5, \sqrt{6} \approx 2.45$。$2.5 > 2.45$。C 说 $>$,成立。
所以 C 是正确答案。
容易错在哪儿 ▾点开看
这一步没懂?写一句问老师 ›
内容由卡片自动生成 · 有不对的地方告诉老师
这张卡有问题?告诉老师 ›