Để chứng minh rằng \( \frac{1}{2} < S < \frac{3}{4} \), ta sẽ so sánh \( S \) với các giá trị biên \( \frac{1}{2} \) và \( \frac{3}{4} \).
1. **So sánh với \( \frac{1}{2} \):**
Để chứng minh \( S > \frac{1}{2} \), ta cần chứng minh tổng \( S \) lớn hơn \( \frac{1}{2} \).
Đầu tiên, ta có thể chia mỗi số mũ ở mẫu thành dạng \( 2^2 \):
\[ S = \frac{1}{2^2} + \frac{1}{3^2} + \frac{1}{4^2} + \ldots + \frac{1}{2023^2} \]
Với mỗi số mũ ở mẫu, ta có:
\[ \frac{1}{k^2} > \frac{1}{k(k+1)} = \frac{1}{k} - \frac{1}{k+1} \]
Áp dụng bất đẳng thức trên, ta có:
\[ S > \frac{1}{2} - \frac{1}{3} + \frac{1}{3} - \frac{1}{4} + \frac{1}{4} - \ldots + \frac{1}{2023} - \frac{1}{2024} \]
Các thành phần trong dấu ngoặc đều tương hợp và trừ đi nhau hết, chỉ còn lại \( \frac{1}{2} - \frac{1}{2024} \), là một số dương. Do đó:
\[ S > \frac{1}{2} \]
2. **So sánh với \( \frac{3}{4} \):**
Để chứng minh \( S < \frac{3}{4} \), ta cần chứng minh tổng \( S \) nhỏ hơn \( \frac{3}{4} \).
Làm tương tự như trên, ta có:
\[ S < \frac{1}{2} + \frac{1}{3} + \frac{1}{4} + \ldots + \frac{1}{2023} + \frac{1}{2024} \]
Số hạng cuối cùng \( \frac{1}{2024} \) là một số dương nhỏ hơn \( \frac{1}{2} \), nên:
\[ S < \frac{1}{2} + \frac{1}{3} + \frac{1}{4} + \ldots + \frac{1}{2023} + \frac{1}{2} \]
Điều này dẫn đến:
\[ S < 1 - \frac{1}{2024} = \frac{2023}{2024} < \frac{3}{4} \]
Vậy, ta đã chứng minh được \( \frac{1}{2} < S < \frac{3}{4} \).