微专题4 数列的重构问题
典例剖析素养初现
探究1 公共项问题
例1 (1) (2025·泰安期末)已知两个等差数列1,3,5,7,9,…,99和2,5,8,11,…,101,将这两个等差数列的公共项按从小到大的顺序组成一个新数列,则这个新数列的各项之和为(B )
A. 750 B. 800
C. 850 D. 832
【解析】数列1,3,5,7,9,…,99是首项a1=1,公差d1=2的等差数列,其通项公式为an=a1+(n-1)d1=1+2(n-1)=2n-1. 数列2,5,8,11,…,101是首项b1=2,公差d2=3的等差数列,其通项公式为bm=b1+(m-1)d2=2+3(m-1)=3m-1.设an=bm,即2n-1=3m-1,化简可得2n=3m.因为n,m为正整数,所以m必须是2的倍数,设m=2t(t∈N*). 将m=2t代入bm的通项公式,可得b2t=3×2t-1=6t-1,所以新数列的通项公式为ct=6t-1. 当t=1时,c1=6×1-1=5,所以新数列首项为5,新数列的公差d=6.令ct≤99,即6t-1≤99,6t≤100,t≤≈16.67.因为t为正整数,所以t最大取16,即新数列有16项. 根据等差数列求和公式Sn=,这里n=16,c1=5,c16=6×16-1=95,则S16==800.
(2) (多选)已知n,m∈N*,将数列{4n+1}与数列{5m}的公共项从小到大排列得到数列{an},则(BC )
A. an=5n
B. an=5n
C. {an}的前n项和为
D. {an}的前n项和为
【解析】 令4n+1=5m(n,m∈N*),所以n===∈N*(m=2,3,…),当m=1时,n=1,所以数列{5m}为数列{4n+1}的子数列,所以an=5n(n=1,2,3…),所以{an}的前n项和为=,故B,C正确,A,D错误.
在两个数列的公共项问题中,可以有两种方法:
(1) 不定方程法:列出两个项相等的不定方程,利用数论中的整除知识,求出符合条件的项,并解出相应的通项公式;
(2) 周期法:即寻找下一项,通过观察找到首项后,从首项开始向后,逐项判断变化较大(如公差的绝对值大)的数列中的项是否为另一个数列中的项,并找到规律(周期),分析相邻两项之间的关系,从而得到通项公式.
探究2 增减项问题
例2 已知等差数列{an}的前n项和为Sn(n∈N*),且3a2+2a3=S5+6.
(1) 若数列{Sn}为递减数列,求a1的取值范围;
【解答】设等差数列{an}的公差为d,因为3a2+2a3=S5+6,所以3(a1+d)+2(a1+2d)=5a1+10d+6,解得d=-2,所以Sn=-n2+(a1+1)n.若数列{Sn}为递减数列,则Sn+1-Sn<0对于n∈N*恒成立,所以Sn+1-Sn=[-(n+1)2+(a1+1)(n+1)]-[-n2+(a1+1)·n]=a1-2n<0在n∈N*上恒成立,则a1<2n,所以a1<(2n)min.又(2n)min=2×1=2,所以a1<2,故a1的取值范围为(-∞,2).
(2) 若a1=1,在数列{an}的第n项与第n+1项之间插入首项为1,公比为2的等比数列的前n项,形成新数列{bn},记数列{bn}的前n项和为Tn,求T95.
【解答】若a1=1,则an=1+(n-1)×(-2)=-2n+3,根据题意,数列{bn}分组为第一组:1,20;第二组:-1,20,21;第三组:-3,20,21,22;…;第k组:-2k+3,20,21,22,…,2k-1,则前k组一共有2+3+4+…+(k+1)=项.当k=12时,项数为90,故T95相当于是前12组的和再加上-23,20,21,22,23这五项,即T95=[1+(-1)+…+(-21)]+[20+(20+21)+…+(20+21+…+211)]+(-23+20+21+22+23).设cn=2n-1,则20+(20+21)+…+(20+21+…+211)可看成是数列{cn}的前12项和,所以T95=+-12-23+1+2+4+8=213-142=8 050.
探究3 计数问题
例3-1 (2024·常州期末)已知等差数列{an}的前n项和为Sn=n2+cn+c,c∈R.
(1) 求数列{an}的通项公式;
【解答】因为Sn=n2+cn+c,所以当n≥2时,an=Sn-Sn-1=n2+cn+c-(n-1)2-c(n-1)-c=2n-1+c.因为{an}为等差数列,故a1=S1=1+2c也符合上式,所以1+c=1+2c,所以c=0,所以an=2n-1.
(2) 记bm为{an}在区间(0,2am](m∈N*)中的项的个数,求数列{bn}的通项公式.
【解答】由题意知bm为{an}在区间(0,22m-1]中项的个数,令0<2n-1≤22m-1,所以1≤n≤=22m-2+,n∈N*,所以1≤n≤22m-2,所以bm=22m-2,所以bn=22n-2=4n-1.
例3-2 (2024·广东大湾区二模)已知数列{an}为等差数列,a1=-4,前n项和为Sn,且满足:当n∈N*且n<9时,S1++…+=S1++…+.
(1) 求数列{an}的通项公式;
【解答】由S1++…+=S1++…+,令n=5,得=0,即S5=0,则=0,即a1+a5=0,于是2a1+4d=0,而a1=-4,解得d=2,所以an=2n-6.
(2) 定义集合Mn={ai+aj|i,j∈N*,且i,j≤n},记Mn的元素个数为bn,数列{bn}的前n项和为Tn,求T10.
【解答】记Cn={i+j|i,j∈N*且i,j≤n},由于ai+aj=2(i+j)-12,则Mn的元素个数即为Cn的元素个数,而Cn={2,3,4,…,2n},共2n-1个元素,于是bn=2n-1,所以T10==100.
随堂内化及时评价
1. 已知两个等差数列2,6,10,…及2,8,14,…,200,将这两个等差数列的公共项按从小到大的顺序组成一个新数列{an},则数列{an}的各项之和为(A )
A. 1 666 B. 1 654
C. 1 472 D. 1 460
【解析】已知两个等差数列2,6,10,…及2,8,14,…,200,由这两个等差数列的公共项按从小到大的顺序组成一个新数列:2,14,26,38,50,…,182,194,共有+1=17项,它是公差为12的等差数列,故新数列前17项的和为×17=1 666,即数列{an}的各项之和为1 666.
2. 已知数列{an}的前n项和Sn满足2Sn=3an-3.
(1) 求数列{an}的通项公式;
【解答】 在2Sn=3an-3中,令n=1,得a1=3.因为2Sn=3an-3,所以当n≥2时,2Sn-1=3an-1-3,两式相减得2an=3an-3an-1,所以an=3an-1,所以数列{an}是以3为首项,3为公比的等比数列,所以an=3n.
(2) 已知数列{bn}满足bn=3n,在数列{bn}中剔除属于数列{an}的项,并且把剩余的项从小到大排列构成新数列{cn},求数列{cn}的前100项和T100.
【解答】因为bn=3n,所以数列{an}中的项都在数列{bn}中.数列{an}的前5项为 3,9,27,81,243,在数列{bn}的前105项中,这五项和为363.数列{bn}的前105项为3,6,9,…,27,…,81,…,243,…,315,它们的和为105×3+105×52×3=16 695,所以数列{cn}的前100项和为数列{bn}的前105项和减去3,9,27,81,243的和,即T100=16 695-363=16 332.
配套新练案
1. 已知数列{an}满足an=n,在an,an+1之间插入n个1,构成数列{bn}:a1,1,a2,1,1,a3,1,1,1,a4,…,则数列{bn}的前100项和为(A )
A. 178 B. 191
C. 206 D. 216
【解析】对于数列{bn}:a1,1,a2,1,1,a3,1,1,1,a4,…,an,它有n+[1+2+…+(n-1)]=n+=n(n+1)项.当n=13时,×13×14=91;当n=14时,×14×15=105.由于an=n,所以{bn}的前100项和为S100=(a1+a2+…+a13)+(100-13)×1=+87=178.
2. 已知数列{an}的通项公式为an=2n+3(n∈N*),数列{bn}的前n项和Sn=(n∈N*),若这两个数列的公共项顺次构成一个新数列{cn},则满足cn<2 025的n的最大值为(D )
A. 340 B. 339
C. 338 D. 337
【解析】当n=1时,b1=S1=5;当n≥2时,bn=Sn-Sn-1=-=3n+2,它和数列{an}的公共项构成的新数列{cn}是首项为5,公差为6的等差数列,则cn=6n-1.令cn<2 025,可得n<,所以n的最大值为337.
3. 已知数列{an}的各项均为正数,且a1=1,对于任意的n∈N*,均有an+1=2an+1,bn=2log2(1+an)-1.若在数列{bn}中去掉{an}的项,余下的项组成数列{cn},则c1+c2+…+c20等于(D )
A. 599 B. 569
C. 554 D. 568
【解析】因为an+1=2an+1,所以an+1+1=2(an+1).又因为a1+1=2,所以=2,则数列{an+1}是首项为2,公比为2的等比数列,故an+1=2n,即an=2n-1.因为bn=2log2(1+an)-1=2log2(1+2n-1)-1=2n-1,即bn=2n-1.显然{an}中的项均在{bn}中,又b1=a1=1,b16=31,b25=49.由an=2n-1,得a5=31,a6=63,所以b16=a5=31,a5<b25<a6,从而c1+c2+…+c20=(b1+b2+…+b25)-(a1+a2+…+a5)=-[(21+22+…+25)-5]=625-+5=568.
4. 已知正项数列{an}的前n项和为Sn,且4Sn=(an-1)(an+3)(n∈N*).
(1) 求数列{an}的通项公式;
【解答】由题知an>0,当n=1时,4a1=4S1=(a1-1)·(a1+3),解得a1=3.由4Sn=(an-1)·(an+3)(n∈N*)知,当n≥2时,4Sn-1=(an-1-1)(an-1+3),作差得4an=a-a+2an-2an-1,所以(an+an-1)(an-an-1-2)=0.因为an+an-1>0,所以an-an-1=2(n≥2),所以数列{an}是首项为3,公差为2的等差数列,所以an=2n+1.
(2) 将数列{an}和数列{2n}中所有的项按照从小到大的顺序排列得到一个新数列{bn},求{bn}的前50项和.
【解答】a50=101,又26<101<27,同时a44=89>26,故b50=a44,所以b1+b2+…+b50=(a1+a2+…+a44)+(21+22+…+26)=(a1+a44)+=2 150.
5. (2022·新高考Ⅱ卷)已知{an}为等差数列,{bn}是公比为2的等比数列,且a2-b2=a3-b3=b4-a4.
(1) 求证:a1=b1;
【解答】设等差数列{an}的公差为d,则解得b1=a1=,得证.
(2) 求集合{k|bk=am+a1,1≤m≤500}中元素的个数.
【解答】由(1)知,b1=a1=,所以bk=am+a1 b1×2k-1=a1+(m-1)d+a1,即2k-1=2m,亦即m=2k-2∈[1,500],解得2≤k≤10,所以k=2,3,4,…,10,故集合{k|bk=am+a1,1≤m≤500}中元素的个数为9.
6. 已知等差数列{an}的前n项和为Sn,且a4=7,S5=25.
(1) 求数列{an}的通项公式;
【解答】设等差数列{an}的公差为d.由S5=5a3=25,即a3=5,可得d=a4-a3=2,a1=a3-2d=1,所以an=1+2(n-1)=2n-1.
(2) 保持数列{an}中各项先后顺序不变,在ak与ak+1(k=1,2,…)之间插入2k-1个3,使它们和原数列的项构成一个新的数列{bn},求数列{bn}的前150项和T150.
【解答】在ak与ak+1(k=1,2,…)之间插入2k-1个3,可知ak(k≥2)在数列{bn}中对应的项数n=k+20+21+…+2k-2=k+=2k-1+k-1.当k=8时,n=27+7=135,即a8=b135;当k=9时,n=28+8=264,即a9=b264.由题意可知b136=b137=…=b150=3,所以T150=S8+3×(150-8)=+426=490.
7. 设各项都不为0的数列{an}的前n项积为Tn,Tn=2·an,a1=2.
(1) 求数列{an}的通项公式;
【解答】因为Tn=2·an,当n≥2时,Tn-1=2·an-1,两式相除可得an=.因为an≠0,所以an-1=2n-1,又a1=2符合上式,所以an=2n.
(2) 保持数列{an}中的各项顺序不变,在每两项ak与ak+1之间插入一项2(ak+1-ak)(其中k=1,2,3,…),组成新的数列{bn},记数列{bn}的前n项和为Sn,若Sn>2 025,求n的最小值.
【解答】依题得S2n=a1+2(a2-a1)+a2+2(a3-a2)+…+an+2(an+1-an)=a1+a2+…+an+2(a2-a1+a3-a2+…+an+1-an)=a1+a2+…+an+2(an+1-a1)=a1+a2+…+an+2an+1-2a1=+2n+2-4=3·2n+1-6,易知{S2n}随着n的增大而增大.当n=8时,S16=3×28+1-6=1 530<2 025;当n=9时,S18=3×29+1-6=3 066>2 025.而S17=S16+b17=S16+a9=1 530+512=2 042>2 025,综上,n的最小值为17.微专题4 数列的重构问题
典例剖析素养初现
探究1 公共项问题
例1 (1) (2025·泰安期末)已知两个等差数列1,3,5,7,9,…,99和2,5,8,11,…,101,将这两个等差数列的公共项按从小到大的顺序组成一个新数列,则这个新数列的各项之和为( )
A. 750 B. 800
C. 850 D. 832
(2) (多选)已知n,m∈N*,将数列{4n+1}与数列{5m}的公共项从小到大排列得到数列{an},则( )
A. an=5n
B. an=5n
C. {an}的前n项和为
D. {an}的前n项和为
在两个数列的公共项问题中,可以有两种方法:
(1) 不定方程法:列出两个项相等的不定方程,利用数论中的整除知识,求出符合条件的项,并解出相应的通项公式;
(2) 周期法:即寻找下一项,通过观察找到首项后,从首项开始向后,逐项判断变化较大(如公差的绝对值大)的数列中的项是否为另一个数列中的项,并找到规律(周期),分析相邻两项之间的关系,从而得到通项公式.
探究2 增减项问题
例2 已知等差数列{an}的前n项和为Sn(n∈N*),且3a2+2a3=S5+6.
(1) 若数列{Sn}为递减数列,求a1的取值范围;
(2) 若a1=1,在数列{an}的第n项与第n+1项之间插入首项为1,公比为2的等比数列的前n项,形成新数列{bn},记数列{bn}的前n项和为Tn,求T95.
探究3 计数问题
例3-1 (2024·常州期末)已知等差数列{an}的前n项和为Sn=n2+cn+c,c∈R.
(1) 求数列{an}的通项公式;
(2) 记bm为{an}在区间(0,2am](m∈N*)中的项的个数,求数列{bn}的通项公式.
例3-2 (2024·广东大湾区二模)已知数列{an}为等差数列,a1=-4,前n项和为Sn,且满足:当n∈N*且n<9时,S1++…+=S1++…+.
(1) 求数列{an}的通项公式;
(2) 定义集合Mn={ai+aj|i,j∈N*,且i,j≤n},记Mn的元素个数为bn,数列{bn}的前n项和为Tn,求T10.
随堂内化及时评价
1. 已知两个等差数列2,6,10,…及2,8,14,…,200,将这两个等差数列的公共项按从小到大的顺序组成一个新数列{an},则数列{an}的各项之和为( )
A. 1 666 B. 1 654
C. 1 472 D. 1 460
2. 已知数列{an}的前n项和Sn满足2Sn=3an-3.
(1) 求数列{an}的通项公式;
(2) 已知数列{bn}满足bn=3n,在数列{bn}中剔除属于数列{an}的项,并且把剩余的项从小到大排列构成新数列{cn},求数列{cn}的前100项和T100.
配套新练案
1. 已知数列{an}满足an=n,在an,an+1之间插入n个1,构成数列{bn}:a1,1,a2,1,1,a3,1,1,1,a4,…,则数列{bn}的前100项和为( )
A. 178 B. 191
C. 206 D. 216
2. 已知数列{an}的通项公式为an=2n+3(n∈N*),数列{bn}的前n项和Sn=(n∈N*),若这两个数列的公共项顺次构成一个新数列{cn},则满足cn<2 025的n的最大值为( )
A. 340 B. 339
C. 338 D. 337
3. 已知数列{an}的各项均为正数,且a1=1,对于任意的n∈N*,均有an+1=2an+1,bn=2log2(1+an)-1.若在数列{bn}中去掉{an}的项,余下的项组成数列{cn},则c1+c2+…+c20等于( )
A. 599 B. 569
C. 554 D. 568
4. 已知正项数列{an}的前n项和为Sn,且4Sn=(an-1)(an+3)(n∈N*).
(1) 求数列{an}的通项公式;
(2) 将数列{an}和数列{2n}中所有的项按照从小到大的顺序排列得到一个新数列{bn},求{bn}的前50项和.
5. (2022·新高考Ⅱ卷)已知{an}为等差数列,{bn}是公比为2的等比数列,且a2-b2=a3-b3=b4-a4.
(1) 求证:a1=b1;
(2) 求集合{k|bk=am+a1,1≤m≤500}中元素的个数.
6. 已知等差数列{an}的前n项和为Sn,且a4=7,S5=25.
(1) 求数列{an}的通项公式;
(2) 保持数列{an}中各项先后顺序不变,在ak与ak+1(k=1,2,…)之间插入2k-1个3,使它们和原数列的项构成一个新的数列{bn},求数列{bn}的前150项和T150.
7. 设各项都不为0的数列{an}的前n项积为Tn,Tn=2·an,a1=2.
(1) 求数列{an}的通项公式;
(2) 保持数列{an}中的各项顺序不变,在每两项ak与ak+1之间插入一项2(ak+1-ak)(其中k=1,2,3,…),组成新的数列{bn},记数列{bn}的前n项和为Sn,若Sn>2 025,求n的最小值.(共30张PPT)
第四章
数列
微专题4 数列的重构问题
典例剖析 素养初现
(1) (2025·泰安期末)已知两个等差数列1,3,5,7,9,…,99和2,5,8,11,…,101,将这两个等差数列的公共项按从小到大的顺序组成一个新数列,则这个新数列的各项之和为 ( )
A. 750 B. 800
C. 850 D. 832
1
公共项问题
探究
1
【答案】B
【解析】
【解析】
BC
在两个数列的公共项问题中,可以有两种方法:
(1) 不定方程法:列出两个项相等的不定方程,利用数论中的整除知识,求出符合条件的项,并解出相应的通项公式;
(2) 周期法:即寻找下一项,通过观察找到首项后,从首项开始向后,逐项判断变化较大(如公差的绝对值大)的数列中的项是否为另一个数列中的项,并找到规律(周期),分析相邻两项之间的关系,从而得到通项公式.
已知等差数列{an}的前n项和为Sn(n∈N*),且3a2+2a3=S5+6.
(1) 若数列{Sn}为递减数列,求a1的取值范围;
2
增减项问题
【解答】
设等差数列{an}的公差为d,因为3a2+2a3=S5+6,所以3(a1+d)+2(a1+2d)=5a1+10d+6,解得d=-2,所以Sn=-n2+(a1+1)n.若数列{Sn}为递减数列,则Sn+1-Sn<0对于n∈N*恒成立,所以Sn+1-Sn=[-(n+1)2+(a1+1)(n+1)]-[-n2+(a1+1)·n]=a1-2n<0在n∈N*上恒成立,则a1<2n,所以a1<(2n)min.又(2n)min=2×1=2,所以a1<2,故a1的取值范围为(-∞,2).
探究
2
(2) 若a1=1,在数列{an}的第n项与第n+1项之间插入首项为1,公比为2的等比数列的前n项,形成新数列{bn},记数列{bn}的前n项和为Tn,求T95.
【解答】
已知等差数列{an}的前n项和为Sn(n∈N*),且3a2+2a3=S5+6.
2
(2024·常州期末)已知等差数列{an}的前n项和为Sn=n2+cn+c,c∈R.
(1) 求数列{an}的通项公式;
计数问题
【解答】
因为Sn=n2+cn+c,所以当n≥2时,an=Sn-Sn-1=n2+cn+c-(n-1)2-c(n-1)-c=2n-1+c.因为{an}为等差数列,故a1=S1=1+2c也符合上式,所以1+c=1+2c,所以c=0,所以an=2n-1.
探究
3
3-1
(2) 记bm为{an}在区间(0,2am](m∈N*)中的项的个数,求数列{bn}的通项公式.
【解答】
(2024·常州期末)已知等差数列{an}的前n项和为Sn=n2+cn+c,c∈R.
3-1
【解答】
3-2
(2) 定义集合Mn={ai+aj|i,j∈N*,且i,j≤n},记Mn的元素个数为bn,数列{bn}的前n项和为Tn,求T10.
【解答】
3-2
随堂内化 及时评价
【解析】
1. 已知两个等差数列2,6,10,…及2,8,14,…,200,将这两个等差数列的公共项按从小到大的顺序组成一个新数列{an},则数列{an}的各项之和为 ( )
A. 1 666 B. 1 654 C. 1 472 D. 1 460
A
【解答】
在2Sn=3an-3中,令n=1,得a1=3.因为2Sn=3an-3,所以当n≥2时,2Sn-1=3an-1-3,两式相减得2an=3an-3an-1,所以an=3an-1,所以数列{an}是以3为首项,3为公比的等比数列,所以an=3n.
2. 已知数列{an}的前n项和Sn满足2Sn=3an-3.
(1) 求数列{an}的通项公式;
(2) 已知数列{bn}满足bn=3n,在数列{bn}中剔除属于数列{an}的项,并且把剩余的项从小到大排列构成新数列{cn},求数列{cn}的前100项和T100.
【解答】
因为bn=3n,所以数列{an}中的项都在数列{bn}中.数列{an}的前5项为 3,9,27,81,243,在数列{bn}的前105项中,这五项和为363.数列{bn}的前105项为3,6,9,…,27,…,81,…,243,…,315,它们的和为105×3+105×52×3=16 695,所以数列{cn}的前100项和为数列{bn}的前105项和减去3,9,27,81,243的和,即T100=16 695-363=16 332.
2. 已知数列{an}的前n项和Sn满足2Sn=3an-3.
配套新练案
1. 已知数列{an}满足an=n,在an,an+1之间插入n个1,构成数列{bn}:a1,1,a2,1,1,a3,1,1,1,a4,…,则数列{bn}的前100项和为 ( )
A. 178 B. 191 C. 206 D. 216
A
【解析】
【解析】
D
3. 已知数列{an}的各项均为正数,且a1=1,对于任意的n∈N*,均有an+1=2an+1,bn=2log2(1+an)-1.若在数列{bn}中去掉{an}的项,余下的项组成数列{cn},则c1+c2+…+c20等于 ( )
A. 599 B. 569
C. 554 D. 568
【解析】
【答案】D
4. 已知正项数列{an}的前n项和为Sn,且4Sn=(an-1)(an+3)(n∈N*).
(1) 求数列{an}的通项公式;
【解答】
(2) 将数列{an}和数列{2n}中所有的项按照从小到大的顺序排列得到一个新数列{bn},求{bn}的前50项和.
【解答】
4. 已知正项数列{an}的前n项和为Sn,且4Sn=(an-1)(an+3)(n∈N*).
5. (2022·新高考Ⅱ卷)已知{an}为等差数列,{bn}是公比为2的等比数列,且a2-b2=a3-b3=b4-a4.
(1) 求证:a1=b1;
【解答】
(2) 求集合{k|bk=am+a1,1≤m≤500}中元素的个数.
【解答】
5. (2022·新高考Ⅱ卷)已知{an}为等差数列,{bn}是公比为2的等比数列,且a2-b2=a3-b3=b4-a4.
6. 已知等差数列{an}的前n项和为Sn,且a4=7,S5=25.
(1) 求数列{an}的通项公式;
【解答】
设等差数列{an}的公差为d.由S5=5a3=25,即a3=5,可得d=a4-a3=2,a1=a3-2d=1,所以an=1+2(n-1)=2n-1.
(2) 保持数列{an}中各项先后顺序不变,在ak与ak+1(k=1,2,…)之间插入2k-1个3,使它们和原数列的项构成一个新的数列{bn},求数列{bn}的前150项和T150.
【解答】
6. 已知等差数列{an}的前n项和为Sn,且a4=7,S5=25.
【解答】
(2) 保持数列{an}中的各项顺序不变,在每两项ak与ak+1之间插入一项2(ak+1-ak)(其中k=1,2,3,…),组成新的数列{bn},记数列{bn}的前n项和为Sn,若Sn>2 025,求n的最小值.
【解答】
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