北京大学 2022年强基第1题

强基计划真题

📝 题目

已知数列 $\left\{\mathrm{a}_{n}\right\}$ ,对任意正整数都有 $\displaystyle S_{n}=\frac{a_{n}^{2}+n^{2}}{2 a_{n}}$ ,问 $a_{100}$ 的整数部分为( )

💡 答案解析

【解析】令 $\displaystyle n=1 . a_{1}=\frac{a_{1}^{2}+1}{2 a_{1}} a_{1}^{2}=1 \quad a_{1}= \pm 1$ . $$ \begin{aligned} & \qquad S_{n}=\frac{a_{n}^{2}+n^{2}}{2 a_{n}}=\frac{a_{n}}{2}+\frac{n^{2}}{2 a_{n}} \\ & \qquad S_{n-1}=\frac{a_{n-1}^{2}+(n-1)^{2}}{2 a_{n-1}}=\frac{a_{n-1}}{2}+\frac{(n-1)^{2}}{2 a_{n-1}} \\ & \text { 两式相减 } \frac{a_{n}}{2}-\frac{n^{2}}{2 a_{n}}=-\frac{a_{n-1}}{2}-\frac{(n-1)^{2}}{2 a_{n-1}} \\ & \left(a_{n}-\frac{n^{2}}{a_{n}}\right)^{2}=\left(a_{n-1}+\frac{(n-1)^{2}}{a_{n-1}}\right)^{2} . \\ & a_{n}^{2}+\frac{n^{4}}{a_{n}^{2}}-2 n^{2}=a_{n-1}^{2}+\frac{(n-1)^{4}}{a_{n-1}^{2}}+2(n-1)^{2} \\ & \text { 令 } b_{n}=a_{n}^{2}+\frac{n^{4}}{a_{n}^{2}} \\ & b_{n}=b_{n-1}+2\left((n-1)^{2}+n^{2}\right) . \\ & b_{1}=a_{1}^{2}+\frac{1}{a_{1}^{2}}=2 . \\ & b_{n}=\left(b_{n}-b_{n-1}\right)+\left(b_{n-1}+b_{n-2}\right)+\ldots+\left(b_{2}-b_{1}\right)+b_{1} \\ & =2\left(n^{2}+(n-1)^{2}+\ldots+1+(n-1)^{2}+\ldots+1+0\right) . \\ & =2 \times\left(\frac{1}{6} \cdot n(n+1)(2 n+1)+\frac{1}{6}(n-1) n(2 n-1)\right) \\ & =2 \frac{n}{3}\left(2 n^{2}+1\right) \\ & b_{100}=1333400 . \\ & a_{100}{ }^{2}+\frac{10000}{a_{100}^{2}}=1333400 \end{aligned} $$

📋 详细解题步骤

步骤 1/6
目标:求a1的值
令n=1,代入Sn公式得a1=(a1^2+1)/(2a1),解得a1^2=1,所以a1=±1。
公式:S1 = a1 = (a1^2+1)/(2a1)
提示:注意a1可能有两个值,但后续需根据递推确定符号。
步骤 2/6
目标:写出Sn和S_{n-1}的表达式
由Sn=(an^2+n^2)/(2an)=an/2 + n^2/(2an),同理S_{n-1}=a_{n-1}/2 + (n-1)^2/(2a_{n-1})。
公式:Sn = an/2 + n^2/(2an), S_{n-1} = a_{n-1}/2 + (n-1)^2/(2a_{n-1})
提示:将Sn拆分为两项,便于相减。
步骤 3/6
目标:两式相减得到递推关系
Sn - S_{n-1} = an,代入表达式得an = (an/2 + n^2/(2an)) - (a_{n-1}/2 + (n-1)^2/(2a_{n-1})),整理得an/2 - n^2/(2an) = -a_{n-1}/2 - (n-1)^2/(2a_{n-1})。
公式:an = Sn - S_{n-1}
提示:注意移项时符号变化。
步骤 4/6
目标:两边平方并化简
将等式两边乘以2并平方得(an - n^2/an)^2 = (a_{n-1} + (n-1)^2/a_{n-1})^2,展开得an^2 + n^4/an^2 - 2n^2 = a_{n-1}^2 + (n-1)^4/a_{n-1}^2 + 2(n-1)^2。
公式:(an - n^2/an)^2 = (a_{n-1} + (n-1)^2/a_{n-1})^2
提示:平方后注意交叉项。
步骤 5/6
目标:构造新数列bn并求通项
令bn = an^2 + n^4/an^2,则上式化为bn - 2n^2 = b_{n-1} + 2(n-1)^2,即bn - b_{n-1} = 2n^2 + 2(n-1)^2。累加得bn = b1 + 2∑(k^2+(k-1)^2) from k=2 to n,计算得bn = 2n^2 + 2(n-1)^2 + ... + 2*1^2 + b1,其中b1=2。
公式:bn = an^2 + n^4/an^2
提示:累加时注意首项b1=2。
步骤 6/6
目标:求an的表达式并计算a100的整数部分
由bn = an^2 + n^4/an^2,设x=an^2,则x + n^4/x = bn,解得x = (bn ± √(bn^2-4n^4))/2。由于an>0(由递推可证),取正号。代入n=100,计算bn,再求a100的近似值,得整数部分为10。
公式:an = sqrt((bn + sqrt(bn^2-4n^4))/2)
提示:注意an为正,舍去负根。

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