各类平均与数列极限

已知数列{an},{bn}满足a0=a,b0=b(a>0,b>0,ab),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=an+12an+1bn=an+1bn=12(anbn+1).
tn=anbn(n=0,1,2,),则
tn+12=12(tn+1),t0=ab.
再令tn=12xn,则
xn+12=xn+2,x0=2ab.
由方程x0=t+1t=2ab,解得t1,2=a±a2b2b.

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+a2b2b)1/2n+(aa2b2b)1/2n,0<b<a.
又因为bn+1bn=an+1bn+1=12xn+1,所以,当0<a<b时,
bn=b0x1x2xn2n=bcosθ2cosθ22cosθ2n=bsinθ2nsinθ2n,θ=arccosab,n=0,1,2,

an=bsinθ2ncotθ2n
并且limnan=limnbn=bsinθθ=b2a2arccosab.

a>b>0时,
xn=(a+a2b2b)1/2n+(aa2b2b)1/2n=eα/2n+eα/2n=2cosh(α2n),α=lna+a2b2b
其中coshx=12(ex+ex)为双曲余弦函数,注意到sinhx=2sinhx2coshx2,其中sinhx=12(exex)为双曲正弦函数,我们有
bn=b0x1x2xn2n=bcoshα2coshα22coshα2n=bsinhα2nsinhα2n,

an=bsinhα22ncothα2n,
并且
limnan=limnbn=bsinhαα=a2b2lna+a2b2b.

(1990年匈牙利奥赛)设a0=1,an=1+an121an1,则an>π2n+2.

ak0,an+man+am,则对任意nm,均有
anma1+(nm1)am.
特别地,若a1=1,an>1(n2)an+man+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=a011an2,bn+1=1+bn21bn(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(n0)以及
an+1=12(an+aban).
因此
an+1aban+1+ab=(anaban+ab)2.
解得
an=(a+ab)2n+(a+ab)2n(a+ab)2n(aab)2nab,bn=(a+ab)2n(a+ab)2n(a+ab)2n+(aab)2nab.

 


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.

bn+1=an+1bn可知
an+1=bn+12bn.
an+1=2anbnan+bn可知
bn+12bn=2bn2bn1bnbn2bn1+bn=2bn2bn+bn1,

(bnbn+1)2=12(1+bn1bn).
xn=bn1bn,则xn+12=12(1+xn)x1=b0b1=a+b2a.

0<ba,则0<x11,进一步可知0<xn1.令xn=cos2θn,则xn+1=12(1+xn)=cosθn,则θn+1=12θn,则
θn=12narccosa+b2a,xn=cos(12n1arccosa+b2a).
因此
bn=b0/k=1ncos(12k1arccosa+b2a)=b/sin(2arccosa+b2a)2nsin(12n1arccosa+b2a)=2nsin(12n1arccosa+b2a)sin(2arccosa+b2a)b,

an=bn2bn1=2ntan(12n1arccosa+b2a)sin(2arccosa+b2a)b.
特别地,若a=23,b=3,利用arccos6+24=π12可知
an=32n+1tanπ32n+1,bn=32n+1sinπ32n+1.
此时limnan=limnbn=π.

ba>0,则令xn=12(tn+1tn),则
xn+1=12(1+xn)=12(tn+1tn),
因此tn+1=tn,由x1=12(t1+1t1)=a+b2a可知
t1=(a+b2a±ba2a)1/2n1.
因此
xn=12[(a+b2a+ba2a)1/2n1+(a+b2aba2a)1/2n1],

bn=2n1abb2a2[(a+b2a+ba2a)1/2n1(a+b2aba2a)1/2n1]an=2nabb2a2(a+b2a+ba2a)1/2n1(a+b2aba2a)1/2n1(a+b2a+ba2a)1/2n1+(a+b2aba2a)1/2n1.


 

(叶军P 310)设{an}为有下列性质的数列:
(1)1=a0a1a2an
{bn}是由下式定义的数列
(2)bn=k=1n(1ak1ak)1ak,n=1,2,
证明: (a)对所有n=1,2,3,,有0bn<2;

(b)对0c<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
(1ak1ak)1ak=ak1ak(1ak11ak)=ak1ak(1ak1+1ak)(1ak11ak)=(ak1ak+ak1ak)(1ak11ak)<2(1ak11ak),
所以
0bn=k=1n(1ak1ak)1ak<k=1n2(1ak11ak)<2a0=2.

1ak=dk,因为当0<d<1时,条件(1)满足,又和式bn中第k项是
(1d2(k1)d2k)dk=(1d2)dk,
因此
bn=k=1n(1d2)dk=(1d2)k=1ndk=(1d2)ddn+11d=d(1+d)(1dn).
现在要求对无穷多个n, 均有d(1+d)(1dn)>c,即
(3)dn<1cd(1+d).
对充分大的n, dn0,故只需
0<1cd(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),dn0,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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