【第23章 這道題印錯了吧?!】
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當 n ≥ 2 時,bₙ = n/(2ⁿ - 1)。
我們可以構造:
n/(2ⁿ - 1) < (n+1)/2ⁿ 嗎?
如果 n · 2ⁿ < (n+1)(2ⁿ - 1)
n · 2ⁿ < n · 2ⁿ + 2ⁿ - n - 1
0 < 2ⁿ - n - 1。
對於 n ≥ 2,顯然 2ⁿ > n+1 成立!
林言眼睛猛地一亮。
漂亮!一股成就感自然而言的湧上心頭。
他迅速在答卷上寫下最後的證明過程:
證明:
當 n=1 時,T₁ = 1 < 2,命題成立。
當 n ≥ 2 時,
由於 2ⁿ > n+1 (可通過數學歸納法輕易證明),
所以 n · 2ⁿ < (n+1) · 2ⁿ - (n+1)
即 n · 2ⁿ < (n+1)(2ⁿ - 1)
整理可得:
n/(2ⁿ - 1) < (n+1)/2ⁿ
所以,當 n ≥ 2 時,bₙ < (n+1)/2ⁿ
然而,直接對 (n+1)/2ⁿ 求和依舊麻煩。
林言繼續寫道:
我們考慮進一步裂項:
我們要尋找形如 bₙ < cₙ₋₁ - cₙ 的結構。
設 cₙ = (A · n + B) / 2ⁿ
cₙ₋₁ - cₙ = (A(n-1)+B)/2ⁿ⁻¹ - (An+B)/2ⁿ = (2An - 2A + 2B - An - B)/2ⁿ = (An + B - 2A)/2ⁿ
令 An + B - 2A = n+2
則 A = 1,B - 2 = 2,即 B = 4。
所以,cₙ = (n+4)/2ⁿ。
因此,(n+2)/2ⁿ = (n+3)/2ⁿ⁻¹ - (n+4)/2ⁿ
這雖然正確,但為了直接放縮 bₙ = n/(2ⁿ - 1)。
林言直接運用了一個巧妙的代數變形:
他發現:
bₙ = n/(2ⁿ - 1) < (n+2)/2ⁿ = (n+3)/2ⁿ⁻¹ - (n+4)/2ⁿ
檢驗:n/(2ⁿ - 1) < (n+2)/2ⁿ 嗎?
n · 2ⁿ < (n+2)(2ⁿ - 1) = n · 2ⁿ + 2 · 2ⁿ - n - 2
0 < 2 · 2ⁿ - n - 2,對於 n ≥ 2 顯然成立!
完美!
林言毫不猶豫地在答題卡上寫下:
當 n ≥ 2 時,因為 2 · 2ⁿ > n+2,
所以 n · 2ⁿ < (n+2)(2ⁿ - 1)
即 n/(2ⁿ - 1) < (n+2)/2ⁿ
而 (n+2)/2ⁿ = (n+1)/2ⁿ⁻¹ - (n+2)/2ⁿ(這一步化簡有誤,重新調整係數)
林言腦海中迅速自我糾錯:
(A(n-1)+B)/2ⁿ⁻¹ - (An+B)/2ⁿ = (An + B - 2A)/2ⁿ
我要構造出大於 n/(2ⁿ - 1) 的裂項。
令 An + B - 2A = n+2 ,解得 A=1, B=4。
所以 (n+2)/2ⁿ = (n+3)/2ⁿ⁻¹ - (n+4)/2ⁿ。
那麼 n/(2ⁿ - 1) < (n+2)/2ⁿ = (n+3)/2ⁿ⁻¹ - (n+4)/2ⁿ。
累加:
Tₙ = b₁ + b₂ + b₃ + ... + bₙ
< 1 + (5/2¹ - 6/2²) + (6/2² - 7/2³) + ... + ((n+3)/2ⁿ⁻¹ - (n+4)/2ⁿ)
= 1 + 5/2 - (n+4)/2ⁿ = 3.5 - (n+4)/2ⁿ。
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