每日一题[1242]上下限

已知数列 $\{a_n\}$ 满足 $a_1=1$ 且 $a_{n+1}=a_n+\dfrac{a_n^2}{n(n+1)}$（$n\in\mathbb N^{\ast}$）．

1、求证：对任意正整数 $n$，有 $a_n<5$；

2、求证：存在正整数 $m$，使得 $a_m>4$．

解析

1、根据题意，有 $$a_1=1,a_2=\dfrac 32.$$ 而 $$\dfrac{1}{a_{n+1}}=\dfrac{n(n+1)}{a_n(a_n+n(n+1))}=\dfrac{1}{a_n}-\dfrac{1}{a_n+n(n+1)},$$ 于是当 $n\geqslant 2$ 时，有 $$\begin{split}\dfrac{1}{a_1}-\dfrac{1}{a_{n+1}}&=\dfrac{1}{a_1+2}+\dfrac{1}{a_2+6}+\cdots+\dfrac{1}{a_n+n(n+1)}\\ &\leqslant\dfrac 13+\dfrac 2{15}+\sum_{k=3}^{n}\left(\dfrac 1k-\dfrac 1{k+1}\right)\\ &=\dfrac 45-\dfrac 1{n+1},\end{split}$$ 从而有 $$\dfrac{1}{a_{n+1}}\geqslant \dfrac 15+\dfrac{1}{n+1},n\geqslant 2$$ 因此 $$a_{n+1}\leqslant \dfrac{5(n+1)}{n+6}<5,n\geqslant 2$$ 结合 $a_1,a_2<5$，命题成立．

2、根据第 $(1)$ 小题的结果，当 $n\geqslant 3$ 时，有 $$\begin{split}\dfrac 1{a_1}-\dfrac{1}{a_{n+1}}&=\dfrac 1{a_1+2}+\dfrac 1{a_2+6}+\cdots+\dfrac{1}{a_n+n(n+1)}\\ &\geqslant\dfrac 13+\dfrac{2}{15}+\sum_{k=3}^n\dfrac{k+5}{k(k^2+6k+10)}\\ &>\dfrac {7}{15}+\sum_{k=3}^n\dfrac{k+5}{k(k+2)(k+5)}\\ &>\dfrac 7{15}+\sum_{k=3}^n\dfrac{1}{\left(k+\dfrac 12\right)\left(k+\dfrac 32\right)}\\ &=\dfrac 7{15}+\dfrac 27-\dfrac{2}{2n+3},\end{split}$$ 于是 $$\dfrac{1}{a_{n+1}}<\dfrac{26}{105}+\dfrac 2{2n+3},$$ 也即 $$\dfrac{1}{a_{n+1}}<\dfrac 14+\dfrac{2}{2n+3}-\dfrac{2}{840},$$ 因此取 $m=420$，则有 $$\dfrac{1}{a_m}<\dfrac 14+\dfrac 2{841}-\dfrac 2{840}<\dfrac 14,$$ 即 $$a_m>4,$$ 原命题得证．

备注    事实上，不难证明 $$a_{n+1}>a_t+a_t^2\cdot \left(\dfrac 1t-\dfrac 1{n+1}\right),$$ 其中 $t\in\mathbb N^{\ast}$．因此只需要证明存在某个正整数 $t$，使得 $$a_t+\dfrac{a_t^2}t>4.$$ 可以通过mma发现，当 $t=9$ 时，有 $$a_9\approx 3.00758,$$ 于是命题得证．