2022 新高考Ⅰ卷 - 第17题 (解答题)

数列递推累乘与裂项相消
前置知识回顾:公式与定理 (点击展开)
  • 数列和与项的关系: \( a_1 = S_1 \),当 \( n \ge 2 \) 时,\( a_n = S_n - S_{n-1} \)。
  • 裂项相消求和法: \( \frac{1}{n(n+1)} = \frac{1}{n} - \frac{1}{n+1} \),求和后中间项正负相抵消,仅剩首尾项。

17. 记 \( S_n \) 为数列 \( \{a_n\} \) 的前 \( n \) 项和,已知 \( a_1 = 1 \),\( \left\{\frac{S_n}{a_n}\right\} \) 是公差为 \( \frac{1}{3} \) 的等差数列.

(1)求 \( \{a_n\} \) 的通项公式;

(2)证明:\( \frac{1}{a_1} + \frac{1}{a_2} + \cdots + \frac{1}{a_n} < 2 \).

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思路与规范推导

破题思路全景图

由已知列等差通项:Sₙ/aₙ = (n + 2)/3 得到 3Sₙ = (n + 2)aₙ
错位相减法求递推式:(n - 1)aₙ = (n + 1)a_{n-1} (n ≥ 2)
累乘法化简:aₙ/a₁ = (3/1)·(4/2)···(n+1)/(n-1) = n(n+1)/2
裂项相消求和:1/aₙ = 2[1/n - 1/(n+1)],求和得 2 - 2/(n+1) < 2 证毕

(1) 求 \( \{a_n\} \) 的通项公式 满分 6 分

点击查看第 (1) 问严密踩分推导

由 \( a_1 = 1 \),得 \( \frac{S_1}{a_1} = 1 \)。

因为 \( \left\{\frac{S_n}{a_n}\right\} \) 是公差为 \( \frac{1}{3} \) 的等差数列,所以:

\[ \frac{S_n}{a_n} = 1 + \frac{1}{3}(n - 1) = \frac{n + 2}{3} \implies 3S_n = (n + 2)a_n \]
得 2 分

当 \( n \ge 2 \) 时,由 \( 3S_{n-1} = (n + 1)a_{n-1} \),两式作差得:

\[ 3(S_n - S_{n-1}) = (n + 2)a_n - (n + 1)a_{n-1} \]

即 \( 3a_n = (n + 2)a_n - (n + 1)a_{n-1} \implies (n - 1)a_n = (n + 1)a_{n-1} \)。

故递推比例式为:

\[ \frac{a_n}{a_{n-1}} = \frac{n + 1}{n - 1} \quad (n \ge 2) \]
得 4 分

当 \( n \ge 2 \) 时,利用累乘法:

\[ a_n = a_1 \times \frac{a_2}{a_1} \times \frac{a_3}{a_2} \times \frac{a_4}{a_3} \times \cdots \times \frac{a_{n-1}}{a_{n-2}} \times \frac{a_n}{a_{n-1}} \]
\[ = 1 \times \frac{3}{1} \times \frac{4}{2} \times \frac{5}{3} \times \frac{6}{4} \times \cdots \times \frac{n}{n-2} \times \frac{n+1}{n-1} \]

分子分母交叉对消后,仅剩分母 \( 1 \times 2 \) 和分子 \( n(n + 1) \):

\[ a_n = \frac{n(n + 1)}{2} \]

当 \( n = 1 \) 时,\( a_1 = \frac{1 \times 2}{2} = 1 \),适合上式。

综上,数列 \( \{a_n\} \) 的通项公式为 \( a_n = \frac{n(n + 1)}{2} \)。

得 6 分

(2) 证明:\( \sum_{k=1}^n \frac{1}{a_k} < 2 \) 满分 6 分

点击查看第 (2) 问裂项证明推导

由(1)可知 \( a_n = \frac{n(n + 1)}{2} \),取倒数得通项为:

\[ \frac{1}{a_n} = \frac{2}{n(n + 1)} = 2\left(\frac{1}{n} - \frac{1}{n + 1}\right) \]
得 8 分

记 \( T_n = \frac{1}{a_1} + \frac{1}{a_2} + \cdots + \frac{1}{a_n} \),利用裂项相消求和:

\[ T_n = 2\left[\left(1 - \frac{1}{2}\right) + \left(\frac{1}{2} - \frac{1}{3}\right) + \left(\frac{1}{3} - \frac{1}{4}\right) + \cdots + \left(\frac{1}{n} - \frac{1}{n + 1}\right)\right] \]
\[ = 2\left(1 - \frac{1}{n + 1}\right) = 2 - \frac{2}{n + 1} \]
得 10 分

因为对任意 \( n \in \mathbf{N}^* \),均有 \( \frac{2}{n + 1} > 0 \),所以:

\[ T_n = 2 - \frac{2}{n + 1} < 2 \]

即 \( \frac{1}{a_1} + \frac{1}{a_2} + \cdots + \frac{1}{a_n} < 2 \) 恒成立。证明完毕!

满分 12 分

最终答案核对

解析阅读完毕,点击核对最终答案
(1)\(a_n = \frac{n(n + 1)}{2}\);
(2)证明见解析.

核心模型与结论

数列累乘法与裂项相消“首尾保留”模型:凡遇到 \( \frac{a_n}{a_{n-1}} = \frac{f(n)}{f(n-1)} \) 结构,必用累乘法;分母为连续两正整数之积时,必裂项为差求和!

易错警示与避坑

作差后忘记验证 \( n = 1 \) 的相符性!在高考评分标准中,如果不写“当 \( n = 1 \) 时满足”,会被扣除 1 分!

高分技法与秒杀

累乘对消技巧:因分式上下跨度为 2(\( n+1 \) 与 \( n-1 \) 相差 2),抵消后头部必定保留两个分母(1 和 2),尾部必定保留两个分子(\( n \) 和 \( n+1 \)),记牢结论直接秒填!

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