5.求证: ((1+dfrac {1)(n))}^nlt 3(n=1,2,... )

题目解答
答案

解析
考查要点:本题主要考查利用二项式定理展开表达式,并通过放缩法证明不等式。关键在于将展开后的各项进行合理估计,转化为可求和的级数。
解题思路:
- 基础验证:当$n=1$时直接验证不等式成立。
- 二项式展开:对$(1+\frac{1}{n})^n$进行二项式展开,分析各项的和。
- 放缩技巧:对展开式中$k \geq 2$的项进行放缩,利用$\frac{1}{k(k-1)}$的形式构造望远镜级数。
- 求和简化:通过望远镜求和得到总和小于$3$。
破题关键:发现二项式展开后各项的递减性,并将高阶项转化为可累加抵消的形式,从而简化总和。
当$n=1$时
直接计算得:
$\left(1+\frac{1}{1}\right)^1 = 2 < 3$
不等式成立。
当$n \geq 2$时
将$(1+\frac{1}{n})^n$按二项式定理展开:
$\left(1+\frac{1}{n}\right)^n = \sum_{k=0}^n \binom{n}{k} \cdot \frac{1}{n^k}$
展开式中:
- 第一项:$\binom{n}{0} \cdot \frac{1}{n^0} = 1$
- 第二项:$\binom{n}{1} \cdot \frac{1}{n^1} = n \cdot \frac{1}{n} = 1$
对于$k \geq 2$的项,分析如下:
$\binom{n}{k} \cdot \frac{1}{n^k} = \frac{n(n-1)\cdots(n-k+1)}{k!} \cdot \frac{1}{n^k} = \frac{1}{k!} \cdot \left(1 - \frac{1}{n}\right)\left(1 - \frac{2}{n}\right)\cdots\left(1 - \frac{k-1}{n}\right)$
由于每个因子$\left(1 - \frac{i}{n}\right) \leq 1$,且当$k \geq 2$时:
$\binom{n}{k} \cdot \frac{1}{n^k} \leq \frac{1}{k(k-1)}$
(证明略,可通过数学归纳法或直接比较分子分母)
因此,展开式总和可估计为:
$\begin{aligned}\left(1+\frac{1}{n}\right)^n &\leq 1 + 1 + \sum_{k=2}^n \frac{1}{k(k-1)} \\&= 2 + \sum_{k=2}^n \left( \frac{1}{k-1} - \frac{1}{k} \right) \\&= 2 + \left(1 - \frac{1}{n}\right) \\&= 3 - \frac{1}{n} < 3\end{aligned}$