已知数列{an},{bn}满足a0=a,b0=b(a>0,b>0,a≠b),且
{an+1=12(an+bn)bn+1=√an+1bn.(n=0,1,2,…)
试求{an},{bn}的通项公式以及它们的极限.
由题设条件有
(an+1bn+1)2=a2n+1an+1bn=an+1bn=12(anbn+1).
令tn=anbn(n=0,1,2,…),则
t2n+1=12(tn+1),t0=ab.
再令tn=12xn,则
x2n+1=xn+2,x0=2ab.
由方程x0=t+1t=2ab,解得t1,2=a±√a2−b2b.
易知,当x0>2时, xn>2;当0<x0<2时, 0<xn<2.因此
xn=⎧⎪⎨⎪⎩2cos(12narccosab),0<a<b;(a+√a2−b2b)1/2n+(a−√a2−b2b)1/2n,0<b<a.
又因为bn+1bn=an+1bn+1=12xn+1,所以,当0<a<b时,
bn=b0x1x2⋯xn2n=bcosθ2cosθ22⋯cosθ2n=bsinθ2nsinθ2n,θ=arccosab,n=0,1,2,…
则
an=bsinθ2ncotθ2n
并且limn→∞an=limn→∞bn=bsinθθ=√b2−a2arccosab.
当a>b>0时,
xn=(a+√a2−b2b)1/2n+(a−√a2−b2b)1/2n=eα/2n+e−α/2n=2cosh(α2n),α=lna+√a2−b2b
其中coshx=12(ex+e−x)为双曲余弦函数,注意到sinhx=2sinhx2coshx2,其中sinhx=12(ex−e−x)为双曲正弦函数,我们有
bn=b0x1x2⋯xn2n=bcoshα2coshα22⋯coshα2n=bsinhα2nsinhα2n,
故
an=bsinhα22ncothα2n,
并且
limn→∞an=limn→∞bn=bsinhαα=√a2−b2lna+√a2−b2b.
(1990年匈牙利奥赛)设a0=1,an=√1+a2n−1−1an−1,则an>π2n+2.
设ak≥0,an+m≤an+am,则对任意n≥m,均有
an≤ma1+(nm−1)am.
特别地,若a1=1,an>1(n≥2)且an+m≤an+am,则an<n.
(1989年30届IMO预选题)定义数列{an},{bn}如下: a0=√22,b0=1,
an+1=a0√1−√1−a2n,bn+1=√1+b2n−1bn(n=0,1,2,…)
求证:对每一个n=0,1,2,…,有不等式
2n+2an<π<2n+2bn.
提示:令bn=tanθn,可求得θn=π2n+2,故bn=tanπ2n+2.再利用不等式sinx<x<tanx(0<x<π/2)即可.
(叶军P 283)已知数列{an},{bn}满足a0=a,b0=b(a>0,b>0),且
{an+1=12(an+bn)bn+1=2anbnan+bn.(n=0,1,2,…)
试求{an},{bn}的通项公式.
易证anbn=a0b0=ab(n≥0)以及
an+1=12(an+aban).
因此
an+1−√aban+1+√ab=(an−√aban+√ab)2.
解得
an=(a+√ab)2n+(a+√ab)2n(a+√ab)2n−(a−√ab)2n√ab,bn=(a+√ab)2n−(a+√ab)2n(a+√ab)2n+(a−√ab)2n√ab.
已知数列{an},{bn}满足a0=a,b0=b(a>0,b>0),且
{an+1=2anbnan+bnbn+1=√an+1bn.(n=0,1,2,…)
试求{an},{bn}的通项公式及极限.
由bn+1=√an+1bn可知
an+1=b2n+1bn.
由an+1=2anbnan+bn可知
b2n+1bn=2b2nbn−1bnb2nbn−1+bn=2b2nbn+bn−1,
故
(bnbn+1)2=12(1+bn−1bn).
令xn=bn−1bn,则x2n+1=12(1+xn)且x1=b0b1=√a+b2a.
若0<b≤a,则0<x1≤1,进一步可知0<xn≤1.令xn=cos2θn,则xn+1=√12(1+xn)=cosθn,则θn+1=12θn,则
θn=12narccos√a+b2a,xn=cos(12n−1arccos√a+b2a).
因此
bn=b0/n∏k=1cos(12k−1arccos√a+b2a)=b/sin(2arccos√a+b2a)2nsin(12n−1arccos√a+b2a)=2nsin(12n−1arccos√a+b2a)sin(2arccos√a+b2a)b,
而
an=b2nbn−1=2ntan(12n−1arccos√a+b2a)sin(2arccos√a+b2a)b.
特别地,若a=2√3,b=3,利用arccos√6+√24=π12可知
an=3⋅2n+1tanπ3⋅2n+1,bn=3⋅2n+1sinπ3⋅2n+1.
此时limn→∞an=limn→∞bn=π.
若b≥a>0,则令xn=12(tn+1tn),则
xn+1=√12(1+xn)=12(√tn+1√tn),
因此tn+1=√tn,由x1=12(t1+1t1)=√a+b2a可知
t1=(√a+b2a±√b−a2a)1/2n−1.
因此
xn=12⎡⎢⎣(√a+b2a+√b−a2a)1/2n−1+(√a+b2a−√b−a2a)1/2n−1⎤⎥⎦,
则
bn=2n−1ab√b2−a2⎡⎢⎣(√a+b2a+√b−a2a)1/2n−1−(√a+b2a−√b−a2a)1/2n−1⎤⎥⎦an=2nab√b2−a2(√a+b2a+√b−a2a)1/2n−1−(√a+b2a−√b−a2a)1/2n−1(√a+b2a+√b−a2a)1/2n−1+(√a+b2a−√b−a2a)1/2n−1.
(叶军P 310)设{an}为有下列性质的数列:
1=a0≤a1≤a2≤⋯≤an≤⋯(1)
又{bn}是由下式定义的数列
bn=n∑k=1(1−ak−1ak)⋅1√ak,n=1,2,…(2)
证明: (a)对所有n=1,2,3,…,有0≤bn<2;
(b)对0≤c<2的任一c,总存在一个具有性质(1)的数列{an},使得由(2)导出的数列{bn}中有无限多个下标n满足bn>c.
因为
(1−ak−1ak)⋅1√ak=ak−1√ak(1ak−1−1ak)=ak−1√ak(1√ak−1+1√ak)(1√ak−1−1√ak)=(√ak−1ak+ak−1ak)(1√ak−1−1√ak)<2(1√ak−1−1√ak),
所以
0≤bn=n∑k=1(1−ak−1ak)⋅1√ak<n∑k=12(1√ak−1−1√ak)<2√a0=2.
令1√ak=dk,因为当0<d<1时,条件(1)满足,又和式bn中第k项是
(1−d−2(k−1)d−2k)dk=(1−d2)dk,
因此
bn=n∑k=1(1−d2)dk=(1−d2)n∑k=1dk=(1−d2)d−dn+11−d=d(1+d)(1−dn).
现在要求对无穷多个n, 均有d(1+d)(1−dn)>c,即
dn<1−cd(1+d).(3)
对充分大的n, dn→0,故只需
0<1−cd(1+d),d(1+d)>c.
故只需d(1+d)>2d2>c.因此,只需选择d,满足√c2<d<1.这时有d(1+d)>c,故(3)式右端为正数,因为d∈(0,1),dn→0,所以存在充分大的自然数M,使得当n>M时(3)式成立,于是(b)得证.
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