复旦大学 2021年强基第12题
📝 题目
若数列 $\left\{a_{n}\right\}$ 满足 $4^{a_{n+2}}+4^{1+a_{n+1}}-12 \times 4^{a_{n}}=0$ ,求 $\displaystyle \lim _{n \rightarrow+\infty} \frac{a_{n}}{n}$ 。
💡 答案解析
解析:记 $b_{n}=4^{a_{n}}$ ,则有 $b_{n+2}+4 b_{n+1}-12 b_{n}=0$ , 所以 $b_{n+2}-2 b_{n+1}+6\left(b_{n+1}-2 b_{n}\right)=0$ ,得 $b_{n+1}-2 b_{n}=\left(b_{2}-2 b_{1}\right)(-6)^{n-1}$ , 则 $\displaystyle \frac{b_{n+1}}{2^{n+1}}-\frac{b_{n}}{2^{n}}=\frac{b_{2}-2 b_{1}}{4} \cdot(-3)^{n-1}$ ,得 $\displaystyle \frac{b_{n}}{2^{n}}=\frac{2 b_{1}-b_{2}}{16} \cdot(-3)^{n}+\frac{b_{2}+6 b_{1}}{16}$ , 由 $b_{n}\gt 0$ ,可知 $2 b_{1}-b_{2}=0$ ,得 $b_{n}=b_{1} \cdot 2^{n-1}$ , 所以 $\displaystyle a_{n}=\log _{4} \frac{b_{1}}{2}+\frac{n}{2}$ ,则有 $\displaystyle \lim _{n \rightarrow+\infty} \frac{a_{n}}{n}=\frac{1}{2}$ 。
📋 详细解题步骤
步骤 1/7
目标:化简递推关系
令 b_n = 4^{a_n},则原方程化为 b_{n+2} + 4 b_{n+1} - 12 b_n = 0。
公式:b_{n+2} + 4 b_{n+1} - 12 b_n = 0
提示:指数形式转化为线性递推
步骤 2/7
目标:因式分解递推式
将递推式变形为 (b_{n+2} - 2 b_{n+1}) + 6(b_{n+1} - 2 b_n) = 0,即 b_{n+1} - 2 b_n 是等比数列。
公式:b_{n+1} - 2 b_n = (b_2 - 2 b_1)(-6)^{n-1}
提示:构造新数列
步骤 3/7
目标:构造等比数列求通项
两边除以 2^{n+1} 得 b_{n+1}/2^{n+1} - b_n/2^n = (b_2 - 2 b_1)/4 * (-3)^{n-1}。
公式:b_{n+1}/2^{n+1} - b_n/2^n = (b_2 - 2 b_1)/4 * (-3)^{n-1}
提示:化为等比数列求和
步骤 4/7
目标:求和得到 b_n 表达式
累加得 b_n/2^n = (2 b_1 - b_2)/16 * (-3)^n + (b_2 + 6 b_1)/16。
公式:b_n/2^n = (2 b_1 - b_2)/16 * (-3)^n + (b_2 + 6 b_1)/16
提示:注意首项
步骤 5/7
目标:利用正项条件确定参数
由于 b_n > 0,当 n 增大时 (-3)^n 振荡,故系数必须为零:2 b_1 - b_2 = 0,得 b_2 = 2 b_1。
公式:2 b_1 - b_2 = 0
提示:正项数列约束
步骤 6/7
目标:求解 a_n 通项
代入得 b_n = b_1 * 2^{n-1},所以 a_n = log_4(b_1/2) + n/2。
公式:a_n = log_4(b_1/2) + n/2
提示:对数运算
步骤 7/7
目标:计算极限
lim_{n→∞} a_n/n = lim_{n→∞} (log_4(b_1/2)/n + 1/2) = 1/2。
公式:lim_{n→∞} a_n/n = 1/2
提示:常数项趋于0
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