题目内容

15.记等差数列{an}的前n项和为Sn.
(1)求证:数列{$\frac{{S}_{n}}{n}$}是等差数列;
(2)若a1=1,对任意的n∈N*,n≥2,均有$\sqrt{{S}_{n-1}}$,$\sqrt{{S}_{n}}$,$\sqrt{{S}_{n+1}}$是公差为1的等差数列,求使$\frac{{S}_{k+1}{S}_{k+2}}{{S}_{k}^{2}}$为整数的正整数k的取值集合;
(3)记bn=a${\;}^{{a}_{n}}$(a>0),求证:$\frac{{b}_{1}+{b}_{2}+…+{b}_{n}}{n}$≤$\frac{{b}_{1}+{b}_{n}}{2}$.

分析 (1)设等差数列{an}的公差为d,求出Sn,从而$\frac{Sn}{n}$,然后利用作差法证明数列{$\frac{Sn}{n}$}是等差数列;
(2)由题意{$\sqrt{{S}_{n}}$}是公差为1的等差数列,可得$\sqrt{Sn}$=$\sqrt{{S}_{1}}$+(n-1)×1=n,则Sn=n2.代入$\frac{{S}_{k+1}{S}_{k+2}}{{S}_{k}^{2}}$,可知k=1,2满足条件,k=3不满足条件;当k≥4时,利用作差法证明1$<1+\frac{3k+2}{{k}^{2}}<2$,得$\frac{{S}_{k+1}{S}_{k+2}}{{S}_{k}^{2}}$不是整数,从而可得正整数k的取值集合为{1,2};
(3)设等差数列{an}的公差为d,求出an,可得bn=a${\;}^{{a}_{n}}$=${a}^{{a}_{1}}•{a}^{(n-1)d}$,利用定义可得数列{bn}是公比大于0,首项大于0的等比数列,记公比为q(q>0).再证明b1+bn≥bp+bk,其中p,k为正整数,且p+k=1+n.即可证得$\frac{{b}_{1}+{b}_{2}+…+{b}_{n}}{n}$≤$\frac{{b}_{1}+{b}_{n}}{2}$.

解答 (1)证明:设等差数列{an}的公差为d,则Sn=na1+$\frac{n(n-1)}{2}$d,从而$\frac{Sn}{n}$=a1+$\frac{n-1}{2}$d,
∴当n≥2时,$\frac{Sn}{n}$-$\frac{{S}_{n-1}}{n-1}$=(a1+$\frac{n-1}{2}$d)-(a1+$\frac{n-2}{2}$d)=$\frac{d}{2}$.
即数列{$\frac{Sn}{n}$}是等差数列;
(2)解:∵对任意的n∈N*,n≥2,$\sqrt{{S}_{n-1}}$,$\sqrt{{S}_{n}}$,$\sqrt{{S}_{n+1}}$都是公差为1的等差数列,
∴{$\sqrt{{S}_{n}}$}是公差为1的等差数列,
又a1=1,∴$\sqrt{{S}_{1}}=1$.
∴$\sqrt{Sn}$=$\sqrt{{S}_{1}}$+(n-1)×1=n,则Sn=n2.
∴$\frac{{S}_{k+1}{S}_{k+2}}{{S}_{k}^{2}}$=$[\frac{(k+1)(k+2)}{{k}^{2}}]^{2}=(1+\frac{3k+2}{{k}^{2}})^{2}$,
显然,k=1,2满足条件,k=3不满足条件;
当k≥4时,∵k2-3k-2=k(k-3)-2≥4(4-3)-2=2>0,
∴0<$\frac{3k+2}{{k}^{2}}$<1,
∴1$<1+\frac{3k+2}{{k}^{2}}<2$,$\frac{{S}_{k+1}{S}_{k+2}}{{S}_{k}^{2}}$不是整数.
综上所述,正整数k的取值集合为{1,2};
(3)证明:设等差数列{an}的公差为d,则an=a1+(n-1)d,bn=a${\;}^{{a}_{n}}$=${a}^{{a}_{1}}•{a}^{(n-1)d}$,
∴$\frac{{b}_{n}}{{b}_{n-1}}$=$\frac{{a}^{{a}_{1}}•{a}^{(n-1)d}}{{a}^{{a}_{1}}•{a}^{(n-2)d}}$=ad,
即数列{bn}是公比大于0,首项大于0的等比数列,记公比为q(q>0).
以下证明:b1+bn≥bp+bk,其中p,k为正整数,且p+k=1+n.
∵(b1+bn)-(bp+bk)=b1+b1qn-1-b1qp-1-b1qk-1=b1(qp-1-1)(qk-1-1).
当q>1时,∵y=qx为增函数,p-1≥0,k-1≥0,
∴qp-1-1≥0,qk-1-1≥0,则b1+bn≥bp+bk.
当q=1时,b1+bn=bp+bk.
当0<q<1时,∵y=qx为减函数,p-1≥0,k-1≥0,
∴qp-1-1≤0,qk-1-1≤0,则b1+bn≥bp+bk.
综上,b1+bn≥bp+bk,其中p,k为正整数,且p+k=1+n.
∴n(b1+bn)=(b1+bn)+(b1+bn)+…+(b1+bn)
≥(b1+bn)+(b2+bn-1)+(b3+bn-2)+…+(bn+b1)
=(b1+b2+…+bn)+(bn+bn-1+…+b1),
即$\frac{{b}_{1}+{b}_{2}+…+{b}_{n}}{n}$≤$\frac{{b}_{1}+{b}_{n}}{2}$.

点评 本题是数列与不等式的综合题,考查等差数列的通项公式与性质,考查了作差法证明数列不等式,考查分析问题与解决问题得能力,属中档题.

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