对于级数求和之后的放缩一直是高中数学的一个难点,对于可以求和的,求和之后再放缩比较容易,对于不能求和的式子,就需要先对求和的式子进行放缩,以使得它可以求和,放缩的方向主要有两个,一个是往等比数列方向进行放缩,另一个是往可以裂项求和的方向进行放缩.这里我们先来说说往等比数列方向进行放缩.
要证明数列$\{a_n\}$的前$n$项和小于某个常数即$$\sum\limits_{k=1}^na_k<C,$$那么我们去寻找一个公比$q$小于$1$的等比数列$\{b_n\}$使得$a_n<b_n$,则有$$\sum\limits_{k=1}^n{a_k}<\sum_{k=1}^n{b_k}<\dfrac {b_1}{1-q},$$如果有$\dfrac {b_1}{1-q}<C$,则不等式得证,有时为了使得这个不等式成立,需要调整开始的项数,比如第三项开始放缩.比如,我们想证明$$\sum_{k=1}^n\dfrac{1}{4^k+2}<\dfrac 13.$$那么我们很容易发现$\dfrac {1}{4^k+2}<\dfrac {1}{4^k}$,于是$$\sum_{k=1}^n\dfrac{1}{4^k+2}<\sum_{k=1}^n\dfrac{1}{4^k}<\dfrac {\frac 14}{1-\frac 14}=\dfrac 13.$$如果右边的常数减少到$\dfrac 14$,即证明$$\sum_{k=1}^n\dfrac{1}{4^k+2}<\dfrac 14,$$则需要从第二项开始,即$$\sum_{k=1}^n\dfrac{1}{4^k+2}<\dfrac 16+\sum_{k=2}^n\dfrac{1}{4^k}<\dfrac 16+\dfrac {\frac 1{16}}{1-\frac 14}=\dfrac 14.$$
有时,我们不像上面这么容易地找到等比数列$\{b_n\}$,那什么时候可以考虑等比放缩,又如何寻找数列$\{b_n\}$呢?
如果存在常数$q<1$,使得$$\dfrac {a_{n+1}}{a_n}<q,$$则有$a_n<a_1\cdot q^{n-1}$(有时也需要从第二项或更后的项开始放缩),此时我们可以构造出一个公比为$q$的等比数列满足要求.
例题一 求证:$\sum\limits_{k=1}^n{\dfrac{2}{3^k-1}}<\dfrac 32$.
分析与证明 记$a_n=\dfrac 2{3^n-1}$,则有$$\dfrac {a_{n+1}}{a_n}=\dfrac {3^n-1}{3^{n+1}-1}<\dfrac 13.$$而$a_1=1$,故$a_n<\left(\dfrac 13\right )^{n-1}$,于是$$\sum\limits_{k=1}^n{\dfrac{2}{3^k-1}}<\dfrac {1}{1-\frac 13}=\dfrac 32,$$命题得证.
例题二 已知$a_n=\dfrac 3{4^n-3^{n-1}}$,求证:$\sum\limits_{k=1}^n{a_k}<\dfrac {17}{13}$.
分析与证明 先试试直接对通项进行放缩,因为$$a_n=\dfrac 3{4^n-3^{n-1}}=\dfrac 9{2\cdot 4^n+4^n-3^n}<\dfrac 9{2\cdot 4^n},$$所以$$\sum\limits_{k=1}^n\dfrac 1{a_k}<\dfrac 92\sum_{k=1}^n\dfrac 1{4^k}<\dfrac 92\cdot\dfrac {\frac 14}{1-\frac 14}=\dfrac 32.$$放缩太多,超过了需要的界.即使从第二项、第三项开始放缩,得到的界仍然大于$\dfrac 43$.
下面考虑寻找一个更小的界,因为$$\begin{split} \dfrac {a_{n+1}}{a_n}=&\dfrac {4^n-3^{n-1}}{4^{n+1}-3^n}\\=&\dfrac{\left(\frac 43\right )^{n}-\frac 13}{4\cdot\left(\frac 43\right )^n-1}\\=&\dfrac 14-\dfrac 1{12}\cdot\dfrac 1{4\cdot\left(\frac 43\right )^n-1}\\<&\dfrac 14,\end{split} $$所以当$n\geqslant 2$时,有$$a_n\leqslant a_2\cdot\left(\dfrac 14\right )^{n-2}=\dfrac {3}{13}\cdot \left(\dfrac 14\right )^{n-2}.$$从而有$$\sum\limits_{k=1}^n\dfrac 1{a_k}<1+\dfrac{\frac{1}{13}}{1-\frac 14}=\dfrac {17}{13}.$$注 事实上,在本题中,$n\to+\infty,\dfrac {a_{n+1}}{a_n}\to\dfrac 14$,所以如果通过等比放缩,已知找不到更小的公比了,只能通过调整放缩的起点去使得上界更小.
最后给出两道练习:
练习一 已知$a_n=4^n-1$,求证:$\sum\limits_{k=1}^n\dfrac 1{a_k}<\dfrac 49$.
提示 $\dfrac {a_{n+1}}{a_n}<\dfrac 14$.
练习二 已知$a_n=3\cdot 2^{n-1}+1$,求证:$\sum\limits_{k=1}^n\dfrac 1{a_k}<\dfrac 7{12}$.
提示 直接等比放缩,由$$\dfrac 1{a_n}<\dfrac 13\cdot\left(\dfrac 12\right )^{n-1},$$从第二项开始放缩,即可得到$$\sum\limits_{k=1}^n\dfrac 1{a_k}<\dfrac 14+\dfrac 13\cdot\sum_{k=2}^n\left(\dfrac 12\right )^{k-1}<\dfrac 14+\dfrac 13\cdot\dfrac {\frac 12}{1-\frac 12}=\dfrac {7}{12}.$$也可以通过$$\dfrac {1/a_{n+1}}{1/a_n}=\dfrac {3\cdot 2^{n-1}+1}{3\cdot 2^n+1}\leqslant \dfrac {1/a_2}{1/a_1}=\dfrac 47$$去等比放缩.
如果求和的数列$\{a_n\}$中,$\dfrac {a_{n+1}}{a_n}$趋于$1$,通常这样的数列无法考虑等比放缩,此时就需要考虑第二个放缩技巧——裂项放缩,将数列放缩成可以裂项的形式.见下次的每周一招.