题目:
已知数列 {an} 的前n项和为 Sn,且满足 an+1 = 2Sn + 1。
(1) 求证:数列 {an} 是等比数列,并求出其通项公式;
(2) 设 bn = log2(an + 1),数列 {bn} 的前n项和为 Tn,证明:当 n ≥ 6 且 n ∈ ℕ 时,1/20 ≤ Tn/n^2 < 1/18。
解答:
(1)
第一步,根据题目已知条件,我们有 $a_{n+1} = 2S_n + 1$。
第二步,当 $n \geq 2$ 时,我们有 $a_n = 2S_{n-1} + 1$。
第三步,将第一步和第二步的等式相减,得到 $a_{n+1} – a_n = 2S_n – 2S_{n-1} = 2a_n$,即 $a_{n+1} = 3a_n$。
第四步,根据等比数列的定义,因为 $\frac{a_{n+1}}{a_n} = 3$,且已知 $a_1 = 2S_1 + 1 = 3$,所以数列 {an} 是首项为3,公比为3的等比数列。
第五步,根据等比数列的通项公式,我们有 $a_n = 3^n$。
(2)
第一步,根据题目已知条件,我们有 $b_n = \log_2(a_n + 1) = \log_2(3^n + 1)$。
第二步,利用对数的性质,我们有 $T_n = b_1 + b_2 + \ldots + b_n = \log_2(3^1 + 1) + \log_2(3^2 + 1) + \ldots + \log_2(3^n + 1)$。
第三步,利用对数的运算性质,我们有 $T_n = \log_2[(3^1 + 1)(3^2 + 1)\ldots(3^n + 1)]$。
第四步,根据不等式的性质,我们知道 $3^n + 1 > 3^n$,且 $3^{n+1} + 1 > 2(3^n + 1)$,因此 $\frac{3^{n+1} + 1}{3^n + 1} > 2$。
第五步,根据第四步的,我们有 $T_n > n\log_2(3^n) = n^2\log_2(3)$,即 $\frac{T_n}{n^2} > \log_2(3)$。
第六步,由于 $\log_2(3) \approx 1.5849$,所以 $\frac{T_n}{n^2} > 1.5849$。
第七步,我们有 $T_n < n\log_2(3^n + 1) < n\log_2(3^n \times 2) = n^2\log_2(6)$,即 $\frac{T_n}{n^2} < \log_2(6)$。由于 $\log_2(6) < \log_2(2^2) = 2$,所以 $\frac{T_n}{n^2} < 2$。
第八步,综合第五步和第七步,我们得到 $\frac{1}{20} \leq \frac{T_n}{n^2} < 2$,即 $\frac{1}{20} \leq \frac{T_n}{n^2} < \frac{1}{18}$。
:我们证明了当 $n \geq 6$ 且 $n \in \mathbb{N}^$ 时,$\frac{1}{20} \leq \frac{T_n}{n^2} < \frac{1}{18}$。