第四章 数 列
一、等差与等比数列的基本运算
1.数列的基本运算以小题居多,但也可作为解答题第一步命题,主要考查利用数列的通项公式及求和公式,求数列中的项、公差、公比及前n项和等,一般试题难度较小.
2.通过等差、等比数列的基本运算,培养数学运算、逻辑推理等核心素养.
例1 在等比数列{an}中,已知a1=2,a4=16.
(1)求数列{an}的通项公式;
(2)若a3,a5分别为等差数列{bn}的第3项和第5项,试求数列{bn}的通项公式及前n项和Sn.
跟踪训练1 (1)设数列{an}是以2为首项,1为公差的等差数列,是以1为首项,2为公比的等比数列,则=________.
(2)记正项等差数列{an}的前n项和为Sn,已知a1=1,a2a3=S5.
①求数列{an}的通项公式;
②已知等比数列{bn}满足b1=a1,b2=a2,若bm=a782,求数列{bn}的前m项和Tm.
二、等差、等比数列的判定
1.判断等差或等比数列是数列中的重点内容,经常在解答题中出现,对给定条件进行变形是解题的关键所在,经常利用此类方法构造等差或等比数列.
2.通过等差、等比数列的判定与证明,培养逻辑推理、数学运算等核心素养.
例2 已知数列{an}满足a1=1,nan+1=2(n+1)an.设bn=.
(1)求b1,b2,b3;
(2)判断数列{bn}是否为等比数列,并说明理由;
(3)求数列{an}的通项公式.
反思感悟 判断和证明数列是等差(比)数列的方法
(1)定义法:对于n≥1的任意自然数,验证an+1-an为与正整数n无关的常数.
(2)中项公式法:①若2an=an-1+an+1(n∈N*,n≥2),则{an}为等差数列.②若a=an-1·an+1 (n∈N*,n≥2且an≠0),则{an}为等比数列.
(3)通项公式法:an=kn+b(k,b是常数) {an}是等差数列;an=c·qn(c,q为非零常数) {an}是等比数列.
(4)前n项和公式法:Sn=An2+Bn(A,B为常数,n∈N*) {an}是等差数列;Sn=Aqn-A(A,q为常数,且A≠0,q≠0,q≠1,n∈N*) {an}是公比不为1的等比数列.
跟踪训练2 已知数列{an}满足a1=,且当n>1,n∈N*时,有=.
(1)求证:数列为等差数列;
(2)试问a1a2是否是数列{an}中的项?如果是,是第几项?如果不是,请说明理由.
三、数列的通项
1.数列的通项公式的求法在考查中也经常涉及.在命题中,多以递推公式的形式或与Sn的关系给出条件,然后通过构造等差数列或等比数列,求出通项公式an,题型多以解答题形式出现,难度偏小或中等.
2.通过通项公式的求法,培养数学运算、逻辑推理等核心素养.
例3 在数列{an}中,a1=1,且对于任意的m,n∈N*,都有am+n=am+an+mn,求数列{an}的通项公式.
反思感悟 求数列通项的常用方法
(1)由Sn与an的关系求通项公式:当n≥2且n∈N*时,an=Sn-Sn-1;当n=1时,a1=S1.
(2)累加法:适用形如“an+1-an=f(n)”,
an=a1+(a2-a1)+(a3-a2)+…+(an-an-1).
(3)累乘法:适用于形如“=f(n)”,
an=a1···…·.
(4)构造法:①形如“an=kan-1+b(k,b为常数,k≠0,k≠1,n≥2,n∈N*)”,可令an+t=k(an-1+t),结合已知条件可得t=,构造等比数列.
②取倒数法:形如“an=(n≥2,n∈N*,k,m,p均为常数,m≠0)”,可在等式两边取倒数,转化为等差数列或转化为类型①.
跟踪训练3 设数列{an}的前n项和为Sn,a1=2,且Sn满足2Sn=(n+1)an,n∈N*.求数列{an}的通项公式.
四、数列求和
1.数列求和一直是考查的热点,在命题中,多以与不等式的证明或求解相结合的形式出现.一般数列的求和,主要是将其转化为等差数列或等比数列的求和问题,题型多以解答题的形式出现,难度中等.
2.通过数列求和,培养数学运算、逻辑推理等核心素养.
例4 已知数列{an}是递增的等差数列,a3=7,且a4是a1与a13的等比中项.
(1)求数列{an}的通项公式;
(2)①bn=;②bn=an+2n;③bn=an·2n.从上面三个条件中任选一个,求数列{bn}的前n项和Tn.
跟踪训练4 在公差不为零的等差数列{an}中,已知其前n项和为Sn,若S8=S5+45,且a4,a7,a12成等比数列.
(1)求数列{an}的通项公式an;
(2)当bn=时,求数列{bn}的前n项和Tn.
五、数列的综合应用与创新问题
1.数列本身是一类特殊的函数,高考命题中常将数列与一次函数、指数函数、三角函数、不等式等知识综合在一起,在知识的交汇处命题,或与数阵、点列结合命题一些创新性问题.同时,以实际问题和古代数学问题为背景的数列题也时有出现,难度中等或以上.
2.通过此类问题,综合考查抽象、数学建模、逻辑推理、数学运算等数学核心素养.
例5 分形几何学又被称为“大自然的几何学”,是一门以不规则几何形态为研究对象的几何学.一个数学意义上分形的生成是基于一个不断迭代的方程式,即一种基于递归的反馈系统,简单的说,分形就是研究无限复杂具备相似结构的几何学.下面我们用分形的方法来得到一系列图形,如图1,正三角形的边长为1,在各边取两个三等分点,往外再作一个正三角形,得到图2中的图形;对图2中的各边做相同的操作,得到图3中的图形;依此类推,我们就得到了以下一系列图形,记第n个图形(图1为第一个图形)中的所有外围线段长的和为cn,则满足c1+c2+c3+…+cn>81的最小正整数n的值为______.(参考数据:lg 2≈0.301 0,lg 3≈0.477 1)
反思感悟 此类题目不仅考查学生对基本知识和技能的掌握情况,同时也考查学生的数学应用意识.
跟踪训练5 南宋数学家杨辉在《详解九章算法》中讨论过高阶等差数列与一般等差数列的不同,前后两项之差并不相等,而是逐项差数之差或者高次差相等.例如“百层球堆垛”:第一层有1个球(a1=1),第二层有3个球(a2=3),第三层有6个球(a3=6),第四层有10个球(a4=10),第五层有15个球(a5=15),…,各层球数之差{an+1-an}:a2-a1,a3-a2,a4-a3,a5-a4,…,即2,3,4,5,…是等差数列.现有一个高阶等差数列,其前6项分别为1,3,6,12,23,41,则该数列的第8项为( )
A.51 B.68 C.106 D.157
章末复习课
例1 解 (1)设数列{an}的公比为q,
由已知得16=2q3,解得q=2,
所以an=2×2n-1=2n,n∈N*.
(2)由(1)得a3=8,a5=32,则b3=8,b5=32.
设数列{bn}的公差为d,
则有
解得
所以bn=-16+12(n-1)=12n-28,n∈N*.
所以数列{bn}的前n项和
Sn=
=6n2-22n,n∈N*.
跟踪训练1 (1)1 033
解析 ∵数列{an}是以2为首项,
1为公差的等差数列,
∴an=2+×1=n+1,
∵是以1为首项,2为公比的等比数列,
∴bn=1×2n-1=2n-1,
∴=2n-1+1,
∴=+10=1 033.
(2)解 ①设等差数列{an}的公差为d,
∵a1=1,a2a3=S5,
∴(1+d)(1+2d)=5+,
解得d=-或d=4.
∵d>0,∴d=4,
∴an=1+4(n-1)=4n-3.
②由①知a2=5,
∴b1=a1=1,b2=a2=5,
∴等比数列{bn}的公比q==5,
∴bn=b1qn-1=5n-1.
由bm=a782,得5m-1=4×782-3,
解得m=6,
∴Tm=T6==3 906.
例2 解 (1)由条件可得an+1=an.
将n=1代入,得a2=4a1=4.
将n=2代入,得a3=3a2=12.
所以b1=1,b2=2,b3=4.
(2){bn}是首项为1,
公比为2的等比数列.理由如下:
由条件可得=,
即bn+1=2bn,又b1=1,
所以{bn}是首项为1,
公比为2的等比数列.
(3)由(2)可得=2n-1,
所以an=n·2n-1,n∈N*.
跟踪训练2 (1)证明 当n≥2时,
由=,
得an-1-an=4an-1an,
两边同除以an-1an,
得-=4.
所以数列是首项为=5,
公差为d=4的等差数列.
(2)解 由(1)得=+(n-1)d=4n+1,
所以an=,
所以a1a2=×=,
假设a1a2是数列{an}中的第t项,
则at==,
解得t=11∈N*,
所以a1a2是数列{an}中的第11项.
例3 解 对于任意的m,n∈N*,
都有am+n=am+an+mn,
令m=1,得an+1=an+n+1,
则an+1-an=n+1,
∴a2-a1=2,a3-a2=3,…,
an-an-1=n,
∴(a2-a1)+(a3-a2)+…+(an-an-1)
=2+3+4+…+n,
即an-a1=2+3+4+…+n,
又a1=1,
∴an=1+2+3+…+n=.
跟踪训练3 解 当n≥2时,
2Sn=(n+1)an,2Sn-1=nan-1,
两式相减得,2an=(n+1)an-nan-1,
整理可得=,
而=2,所以是首项为2,
公比为1的等比数列,
故=2,即an=2n,n∈N*.
例4 解 (1)∵{an}是递增的等差数列,∴数列{an}的公差d>0.
由题意得
可得
∴an=3+2(n-1)=2n+1.
(2)选①时,an+1=2(n+1)+1=2n+3.
bn==
=
=-(-),
∴Tn=b1+b2+b3+…+bn=-×[(-)+(-)+(-)+…+(-)]=.
选②时,bn=an+2n=(2n+1)+2n,∴Tn=b1+b2+b3+…+bn=(3+5+7+…+2n+1)+(21+22+23+…+2n)=+=n2+2n+2n+1-2.
选③时,bn=an·2n=(2n+1)·2n,∴Tn=b1+b2+b3+…+bn=3×21+5×22+7×23+…+(2n+1)·2n,则2Tn=3×22+5×23+7×24+…+(2n+1)·2n+1,两式作差得-Tn=3×21+2×22+2×23+…+2×2n-(2n+1)·2n+1=6+-(2n+1)·2n+1=(-2n+1)·2n+1-2,∴Tn=(2n-1)·2n+1+2.
跟踪训练4 解 (1)设等差数列{an}的公差为d(d≠0),
由等差数列的性质可得
S8-S5=a6+a7+a8=3a7=45,
解得a7=15,
又a4,a7,a12成等比数列,
所以a=a4a12
=(a7-3d)(a7+5d),
整理得2da7=15d2,
因为d≠0,a7=15,
所以d=2,
所以an=a7+(n-7)d=2n+1.
(2)由(1)可得a1=3,
则Sn==n(n+2),
所以bn==
=,
所以Tn=
=
=-.
例5 9
解析 由题意知每个图形中每条线段的长度相等.
设第n个图形中线段的长度为an,
则an=n-1,
设第n个图形中线段的条数为bn,
则bn=3×4n-1,
∴cn=anbn=3×n-1,
则c1+c2+c3+…+cn
=
=9×,
令9×>81,
得n>10,
则n>=≈8.006,
即满足不等式的最小正整数n的值为9.
跟踪训练5 C [现有一个高阶等差数列,其前6项分别为1,3,6,12,23,41,
各项与前一项之差{an+1-an}:a2-a1,a3-a2,a4-a3,a5-a4,a6-a5,…,
即2,3,6,11,18,…,
3-2,6-3,11-6,18-11,…,
即1,3,5,7,…是等差数列,
所以a7=41+(18+9)=68,
a8=68+(18+9+11)=106.]