汉诺塔问题是根据一个传说形成的一个问题:有三根杆子和套在一根杆子上的若干大小不等的穿孔圆盘,按下列规则,把圆盘从一根杆子上全部移到另一根杆子上.
①每次只能移动1个碟片;②大盘不能叠在小盘上面.
如图所示,将A杆上所有碟片移到C杆上,B杆可以作为过渡杆使用,称将碟片从一个杆子移动到另一个标子为移动一次,记将A杆子上的n个碟片移动到C杆上最少需要移动an次.
(Ⅰ)写出a1,a2,a3,a4的值;
(Ⅱ)求数列{an}的通项公式;
(Ⅲ)设,求数列{bn}的前n项和Sn.
网友回答
解:(Ⅰ)由题意,知a1=1,a2=3,a3=7,a4=15.
(Ⅱ)由(Ⅰ)推测,数列{an}的通项公式为an=2n-1.
下面用数学归纳法证明如下:
①当n=1时,从A杆移到C杆上只有一种方法,即a1=1,这时an=1=21-1成立;
②假设当n=k(k≥1)时,ak=2k-1成立.
则当n=k+1时,将A杆上的k+1个碟片看做由k个碟片和最底层1张碟片组成的,由假设可知,将A杆上的k个碟片移到B杆上有ak=2k-1种方法,再将最底层1张碟片移到C杆上有1种移法,最后将B杆上的k个碟片移到C杆上(此时底层有一张最大的碟片)又有ak=2k-1种移动方法,故从A杆上的k+1个碟片移到C杆上共有ak+1=ak+1+ak=2ak+1=2(2k-1)+1=2k+1-1种移动方法.
所以当n=k+1时,an=2n-1成立.
由①②可知数列{an}的通项公式是an=2n-1.
(Ⅲ)由(Ⅱ)可知,an=2n-1,所以,bn===;
∴sn=+++…+①;
sn=+++…+②;
①-②,得sn=+++…+-;
∴,
∴.
解析分析:(Ⅰ)当n=1时,从A杆移到C杆上有一种方法A→C,即a1=1;当n=2时,从A杆移到C杆上分3步,即A→B,A→C,B→C,有三种方法,即a2=3,当n=3时,从A杆移到C杆上分七步,即A→C,A→B,C→B,A→C,B→A,B→C,A→C,有七种方法,即a3=7;同理,得a4=15;(Ⅱ)由(Ⅰ)猜想数列{an}的通项公式为an=2n-1;现用数学归纳法证明,①验证n=1时,an成立;②假设当n=k(k≥1)时,ak=2k-1成立,证明当n=k+1时,ak+1=2k+1-1也成立;即证得数列{an}的通项公式是an=2n-1.(Ⅲ)由(Ⅱ)知,an=2n-1,==,所以sn=+++…+,易得sn=+++…+;两式相减,得sn,从而得sn.
点评:本题考查了数列知识和数学归纳法的综合应用,用数学归纳法证明时,要按照(1)验证,(2)假设,(3)证明的步骤解答,本题(Ⅲ)中数列求和方法,与教材中推导等比数列前n项和公式一样,是错位相减法.