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- 2021-06-15 发布
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第四讲 数列求和及数列的综合应用
考法1 数列求和
命题角度1 用公式法和分组转化法求和
1 [2019山东五地联考]已知等差数列{an}的前n项和为Sn,且关于x的不等式a1x2 - S2x+2<0的解集为(1,2).
(1)求数列{an}的通项公式;
(2)若数列{bn}满足bn=a2n+2an - 1,求数列{bn}的前n项和Tn.
(1)先设等差数列{an}的公差为d,再根据题意求出a1与d,进而可求出数列{an}的通项公式;(2)先由(1)的结论及bn=a2n+2an - 1求出bn,再利用等差数列与等比数列的求和公式,以及分组转化法,即可求出结果.
(1)设等差数列{an}的公差为d,
因为关于x的不等式a1x2 - S2x+2<0的解集为(1,2),
所以S2a1=1+2=3,又S2=2a1+d,所以a1=d,(1,2为一元二次方程a1x2 - S2x+2=0的两根)
易知2a1=2,所以a1=1,d=1.
所以数列{an}的通项公式为an=n.
(2)由(1)可得,a2n=2n,2an=2n.
因为bn=a2n+2an - 1,
所以bn=2n - 1+2n,
所以数列{bn}的前n项和Tn=(1+3+5+…+2n - 1)+(2+22+23+…+2n)(分成两组求和)
=n(1+2n-1)2+2(1-2n)1-2(用等差(比)数列的求和公式时注意项数)
=n2+2n+1 - 2.
解后反思
此题的易错点有两处:一是忽视数列通项的下标,导致所求的结果出错,如在求bn时易误得a2n=n,即等号左边的下标已变,右边的代数式没变,导致所得的结果出错;二是用等差数列或等比数列的前n项和公式时,弄错项数,导致求和出错.方法总结
1.[2019湖南长沙雅礼中学模拟]春夏季节是流感多发期,某地医院近30天每天入院治疗流感的人数依次构成数列{an},已知a1=1,a2=2,且满足an+2 - an=1+( - 1)n(n∈N*),则该医院近30天入院治疗流感的总人数为 .
命题角度2 用错位相减法求和
2 [2017天津,18,13分][理]已知{an}为等差数列,前n项和为Sn(n∈N*),{bn}是首项为2的等比数列,且公比大于0,b2+b3=12,b3=a4 - 2a1,S11=11b4.
(Ⅰ)求{an}和{bn}的通项公式;
(Ⅱ)求数列{a2nb2n - 1}的前n项和(n∈N*).
(Ⅰ)设等差数列{an}的公差为d,等比数列{bn}的公比为q(q>0).
因为b2+b3=12,所以b1(q+q2)=12.
又b1=2,所以q+q2 - 6=0,
解得q=2(q= - 3舍去),所以bn=2n.
由b3=a4 - 2a1,S11=11b4,可得8=3d-a1,11a1+11×102d=11×24,(构造方程组)
解得a1=1,d=3,所以an=3n - 2.
所以数列{an}的通项公式为an=3n - 2,数列{bn}的通项公式为bn=2n.
(Ⅱ)由(Ⅰ)知,a2n=6n - 2,b2n - 1=2×4n - 1.
设数列{a2nb2n - 1}的前n项和为Tn,a2nb2n - 1=(3n - 1)×4n,
故Tn=2×4+5×42+8×43+…+(3n - 1)×4n ①,
4Tn=2×42+5×43+…+(3n - 4)×4n+(3n - 1)×4n+1 ②,
① - ②得,
- 3Tn=2×4+3×42+3×43+…+3×4n - (3n - 1)×4n+1(错位相减时,注意最后一项的符号)
=12×(1-4n)1-4 - 4 - (3n - 1)×4n+1(用公式法求和时,注意项数)
= - (3n - 2)×4n+1 - 8,
所以Tn=3n-23×4n+1+83.
故数列{a2nb2n - 1}的前n项和为3n-23×4n+1+83.
2.[2020四川五校联考]设数列{an}是等差数列,数列{bn}的前n项和Sn满足2Sn=3(bn - 1)且a1=b1,a4=b2.
(1)求数列{an}和{bn}的通项公式;
(2)求{anbn}的前n项和Tn.
命题角度3 用裂项相消法求和
3 [2019广东惠州第三次调研]已知数列{an}的前n项和Sn满足2Sn=n2+3n,n∈N*.
(1)求{an}的通项公式;
(2)求数列{1a2n-1a2n+1}的前n项和Tn.
(1)利用an=S1,n=1,Sn-Sn-1,n≥2可求出{an}的通项公式;(2)利用(1)的结论,求出数列{1a2n-1a2n+1}的通项,再利用裂项相消法求出其前n项和Tn.
(1)当n≥2时,2Sn - 1=(n - 1)2+3(n - 1),
又2Sn=n2+3n,两式相减得2an=2n+2,所以an=n+1.
当n=1时,2S1=2a1=4,解得a1=2.
因为a1=2满足式子an=n+1,(验证首项不能漏)
故{an}的通项公式为an=n+1(n∈N*).
(2)由(1)知1a2n-1a2n+1=12n(2n+2)=14×1n(n+1)=14(1n-1n+1),(裂项,注意系数14不要漏)
所以Tn=14[(11-12)+(12-13)+…+(1n-1n+1)]
=14(1 - 1n+1)
=n4n+4.
3.[2017全国卷Ⅱ,15,5分][理]等差数列{an}的前n项和为Sn,a3=3,S4=10,则= .
命题角度4 用倒序相加法求和
4已知函数f (x)=4x4x+2,数列{an}的通项公式为an=f (n2020),则数列{an}的前2 019项和为 .
由题意可得f (x)+f (1 - x)=4x4x+2+41-x41-x+2=4x4x+2+11+2·4x-1=4x4x+2+22+4x=1.
因为数列{an}的前2019项和
S2019=f (12020)+f (22020)+…+f (20182020)+f (20192020) ①,(这个等式的右边是2019项的和)
所以S2019=f (20192020)+f (20182020)+…+f (22020)+f (12020) ②,(倒过来写)
①+②得,2S2019=[f (12020)+f (20192020)]+[f (22020)+f (20182020)]+…+[f (20192020)+f (12020)]=2019×1=2019,
所以S2019=20192,所以数列{an}的前2019项和为20192.
解后反思
本题的易错点有两处:一是倒序后,将两式相加得出的式子易出错,如两式相加后易误得
S2019=[f (12020)+f (20192020)]+[f (22020)+f (20182020)]+…+[f (20192020)+f (12020)],等号左边漏乘了2,从而导致结果出错;二是两式相加求和时易出错,相加后的式子中含有4038项,即有2019对,这点需注意.
4.已知平面向量a=(lg x,1),b=(1,lg y)满足a·b=12,且S=lg xn+lg(xn - 1y)+lg(xn - 2y2)+…+lg(xyn - 1)+lg yn,则S= .
命题角度5 用并项求和法求和
5 [2016天津,18,13分]已知{an}是等比数列,前n项和为Sn(n∈N*),且1a1-1a2=2a3,S6=63.
(1)求{an}的通项公式;
(2)若对任意的n∈N*,bn是log2an和log2an+1的等差中项,求数列{( - 1)nbn2}的前2n项和.
(1)根据已知等式及S6=63求得q,进而求得首项,即可得到{an}的通项公式;(2)先由(1)得{bn}的通项公式,再用并项求和法求数列{( - 1)nbn2}的前2n项和.
(1)设数列{an}的公比为q.由已知,有1a1-1a1q=2a1q2,解得q=2或q= - 1.又由S6=a1·1-q61-q=63,知q≠ - 1,所以a1·1-261-2=63,解得a1=1.所以an=2n - 1.
(2)由题意,得bn=12(log2an+log2an+1)=12(log22n - 1+log22n)=n - 12,即{bn}是首项为12,公差为1的等差数列.
设数列{( - 1)nbn2}的前n项和为Tn,则
T2n=( - b12+b22)+( - b32+b42)+…+( - b2n-12+b2n2)=b1+b2+b3+b4+…+b2n - 1+b2n=2n(b1+b2n)2=2n2.
5.[2020合肥市调研检测]设an=( - 1)n - 1·n2,则a1+a2+a3+…+a51= .
考法2等差、等比数列的综合问题
6数列{an}的前n项和记为Sn,a1=1,an+1=2Sn+1 (n≥1).
(1)求{an}的通项公式;
(2)等差数列{bn}的各项为正,其前n项和为Tn,且T3=15,又a1+b1,a2+b2,a3+b3成等比数列,求Tn.
(1)根据已知的递推关系求{an}的通项公式;(2)根据等比关系列方程求公差,则前n项和Tn易求.
(1)由an+1=2Sn+1,可得an=2Sn - 1+1(n≥2),
两式相减得an+1 - an=2an,则an+1=3an(n≥2).
因为a1=S1=1,a2=2S1+1=3,所以a2=3a1.
故{an}是首项为1,公比为3的等比数列,所以an=3n - 1.
(2)设等差数列{bn}的公差为d.
由T3=15,即b1+b2+b3=15,可得b2=5,故b1=5 - d,b3=5+d.
又a1=1,a2=3,a3=9,且由a1+b1,a2+b2,a3+b3成等比数列可得(1+5 - d)(9+5+d)=(3+5)2,
解得d=2或d= - 10.
因为等差数列{bn}的各项为正,所以d>0.
所以d=2,b1=3,所以Tn=3n+n(n-1)2×2=n2+2n.
考法3数列与其他知识的综合
命题角度1 数列与函数的交汇
7 [2019吉林长春联考]已知等差数列{an}的前n项和为Sn,公差d>0,a6和a8是函数f (x)=154ln x+12x2 - 8x的极值点,则S8=
A. - 38 B.38 C. - 17 D.17
因为f (x)=154lnx+12x2 - 8x,
所以f ' (x)=154x+x - 8=x2-8x+154x=(x-12)(x-152)x.
令f ' (x)=0,解得x=12或x=152.
因为数列{an}的公差d>0,所以数列{an}是单调递增数列,
又a6和a8是函数f (x)的极值点,
所以a6=12,a8=152,所以a1+5d=12,a1+7d=152,解得a1=-17,d=72.
所以S8=8×( - 17)+8×(8-1)2×72= - 38.
A
命题角度2 数列与不等式的交汇
8 [2019福建厦门联考]已知等差数列{an}的前n项和为Sn,且a5+a13=34,S3=9.
(1)求数列{an}的通项公式及前n项和Sn.
(2)求证:1S1+1S2+…+1Sn<2.
(1)设等差数列{an}的公差为d,由已知得a5+a13=34,3a2=9,即a1+8d=17,a1+d=3,
解得a1=1,d=2,故an=2n - 1,Sn=n2.
(2)1S1+1S2+…+1Sn=1+122+132+…+1n2
<1+11×2+12×3+…+1n(n-1)…………(注意放大技巧:把1n2放大为1n(n-1))
=1+(1 - 12)+(12-13)+…+(1n-1-1n)(裂项)
=2 - 1n(消项)
<2.
6. [2019江西省重点中学第二次联考]已知数列{an}的通项公式是an=f (nπ6),其中
f (x)=sin(ωx+φ)(ω>0,|φ|<π2),f (x)的部分图象如图6 - 4 - 1所示,Sn为数列{an}的前n项和,则S2 019的值为( )
A. - 1 B.0 C.12 D.1
考法4数列的实际应用
9 [2019重庆八中模拟]实施“二孩”政策后,专家估计某地区人口总数将发生如下变化:从2019年开始到2028年,每年人口总数比上一年增加0.5万人,从2029年开始到2038年,每年人口总数为上一年的99%.已知该地区2018年人口总数为45万.
(1)求实施“二孩”政策后第n年的人口总数an(单位:万人)的表达式(注:2019年为第一年);
(2)若“二孩”政策实施后,2019年到2038年人口平均值超过49万,则需调整政策,否则继续实施,问到2038年结束后是否需要调整政策?(参考数据:0.9910≈0.9)
(1)根据题意可知{an}是分段数列,其中第一段是等差数列,第二段是等比数列,根据等差、等比数列的通项公式即可得到an的表达式;(2)设数列{an}的前n项和为Sn,根据等差、等比数列的前n项和公式求出S20,并比较S2020与49的大小,即可得出结论.
(1)由题意知,当1≤n≤10时,数列{an}是首项为45.5,公差为0.5的等差数列,可得an=45.5+0.5×(n - 1)=0.5n+45,则a10=50;
当11≤n≤20时,数列{an}是公比为0.99的等比数列,则an=50×0.99n - 10.
故实施“二孩”政策后第n年的人口总数an(单位:万人)的表达式为an=0.5n+45,1≤n≤10,50×0.99n-10,11≤n≤20.
(2)设Sn为数列{an}的前n项和.从2019年到2038年共20年,由等差数列及等比数列的求和公式得S20=S10+(a11+a12+…+a20)=477.5+4950×(1 - 0.9910)≈972.5.
所以“二孩”政策实施后的2019年到2038年人口平均值为S2020≈48.63,则S2020<49,
故到2038年结束后不需要调整政策.
7.[2017全国卷Ⅰ,12,5分][理]几位大学生响应国家的创业号召,开发了一款应用软件.为激发大家学习数学的兴趣,他们推出了“解数学题获取软件激活码”的活动.这款软件的激活码为下面数学问题的答案:已知数列1,1,2,1,2,4,1,2,4,8,1,2,4,8,16,…,其中第一项是20,接下来的两项是20,21,再接下来的三项是20,21,22,依此类推.求满足如下条件的最小整数N :N>100且该数列的前N项和为2的整数幂.那么该款软件的激活码是( )
A.440 B.330 C.220 D.110
数学探究 数列的新定义问题
10[2016全国卷Ⅱ,17,12分][理]Sn为等差数列{an}的前n项和,且a1=1,S7=28.记bn=[lg an],其中[x]表示不超过x的最大整数,如[0.9]=0,[lg 99]=1.
(1)求b1,b11,b101;
(2)求数列{bn}的前1 000项和.
关键信息
信息转化
Sn为等差数列{an}的前n项和,且a1=1,S7=28
可以求得数列{an}的通项公式
bn=[lgan],[x]的定义
可以分别求解b1,b2,b3,…,b1000
数列{bn}的前1000项和
分组求和
(1)设{an}的公差为d,
据已知有7+21d=28,解得d=1.
所以{an}的通项公式为an=n.
b1=[lg1]=0,b11=[lg11]=1,b101=[lg101]=2.
(2)记{bn}的前n项和为Tn,则T1000=b1+b2+…+b1000=[lga1]+[lga2]+…+[lga1000],
当0≤lgan<1时,n=1,2,…,9;
当1≤lgan<2时,n=10,11,…,99;
当2≤lgan<3时,n=100,101,…,999;
当lgan=3时,n=1000.
所以bn=0,1≤n<10,1,10≤n<100,2,100≤n<1000,3,n=1000,
所以数列{bn}的前1000项和为0×9+1×90+2×900+3×1=1893.
取整函数具有天生的“离散性”,与数列的“离散性”相似,常常作为数列的新定义问题的载体.本题以取整函数为载体,考查了取整函数的性质,同时考查了逻辑推理素养与运算求解能力.
素养探源
核心素养
考查途径
素养水平
逻辑推理
{bn}的通项公式的规律的发现.
二
数学运算
{an}的通项公式的求解,{bn}的前1000项和的求解.
一
8.[2019广东梅州二模]给出定义:x=[x]+,[x]∈Z,0≤<1,其中[x]表示x的整数部分,表示x的小数部分.已知数列{an}满足a1=5,an+1=[an]+2,则a2 019 - a2 018等于( )
A.2 019 - 5 B.2 018+5 C.6+5 D.6 - 5
数学文化 数列与数学文化
11 [2018北京,4,5分][理]“十二平均律”是通用的音律体系,明代朱载堉最早用数学方法计算出半音比例,为这个理论的发展做出了重要贡献.十二平均律将一个纯八度音程分成十二份,依次得到十三个单音,从第二个单音起,每一个单音的频率与它的前一个单音的频率的比都等于122.若第一个单音的频率为f ,则第八个单音的频率为
A.32f B.322f C.1225f D.1227f
因为从第二个单音起,每一个单音的频率与它的前一个单音的频率的比都等于122,第一个单音的频率为f ,所以这十三个单音的频率构成一个首项为f ,公比为122的等比数列,记为{an},则第八个单音的频率为a8=f ·(122)8 - 1=1227f ,故选D.
D
“十二平均律”是由中国明代律学家朱载堉发明的,本题以此为背景,不仅弘扬了中国传统文化,还考查了等比数列的通项公式及定义,考查了逻辑推理素养与运算求解能力,体现了等比数列在实际生活中的应用.
素养探源
核心素养
考查途径
素养水平
数学建模
从情境中抽象出等比数列模型.
二
9.河南洛阳的龙门石窟是中国石刻艺术宝库之一,现为世界文化遗产,与莫高窟、云冈石窟、麦积山石窟并称中国四大石窟.现有一石窟的某处浮雕共7层,每上层的数量是下层的2倍,总共有1 016个浮雕,这些浮雕构成一幅优美的图案.若从最下层往上,浮雕的数量构成一个数列{an},则log2(a3a5)的值为( )
A.8 B.10 C.12 D.16
1.255 由于an+2 - an=1+( - 1)n(n∈N*),
所以当n为奇数时,an+2=an,当n为偶数时,an+2 - an=2,
所以a1=a3=…=a29,a2,a4,…,a30构成首项为2,公差为2的等差数列.
又a1=1,所以a1+a2+a3+…+a29+a30=15+15×2+15×142×2=255.
所以该医院近30天入院治疗流感的总人数为255.
2.(1)由2Sn=3(bn - 1)知,当n=1时,b1=3,
当n≥2时,2Sn - 1=3(bn - 1 - 1),2bn=2Sn - 2Sn - 1=3(bn - 1) - 3(bn - 1 - 1),
即bn=3bn - 1,所以{bn}是首项为3,公比为3的等比数列,
所以数列{bn}的通项公式为bn=3n.
又数列{an}是等差数列,且a1=b1=3,a4=b2=9,
所以公差d=a4 - a13=2,
可得数列{an}的通项公式为an=2n+1.
(2)Tn=3×31+5×32+7×33+9×34+…+(2n+1)×3n ①,
3Tn=3×32+5×33+7×34+…+(2n - 1)×3n+(2n+1)×3n+1 ②,
① - ②得, - 2Tn=3×31+2(32+33+34+…+3n) - (2n+1)×3n+1,
- 2Tn=3×31+2×9(3n - 1 - 1)3 - 1 - (2n+1)×3n+1,
整理得Tn=n×3n+1.
3.2nn+1 设等差数列{an}的首项为a1,公差为d,依题意,知a1+2d=3,4a1+6d=10,即a1+2d=3,2a1+3d=5,解得a1=1,d=1,所以Sn=n(n+1)2,因此∑k=1n1Sk=2(1 - 12+12 - 13+…+1n - 1n+1)=2nn+1.
4.6n(n+1) 因为平面向量a=(lg x,1),b=(1,lg y)满足a·b=12,
所以lg x+lg y=12,所以lg(xy)=12.
因为S=lg xn+lg(xn - 1y)+lg(xn - 2y2)+…+lg(xyn - 1)+lg yn,
所以S=lg yn+lg(xyn - 1)+…+lg(xn - 2y2)+lg(xn - 1y)+lg xn,
以上两式相加得,
2S=(lg xn+lg yn)+[lg(xn - 1y)+lg(xyn - 1)]+…+(lg yn+lg xn)
=lg(xn·yn)+lg(xn - 1y·xyn - 1)+…+lg(yn·xn)
=n[lg(xy)+lg(xy)+…+lg(xy)]
=n(n+1)lg(xy)
=12n(n+1),
所以S=6n(n+1).
5.1 326 a1+a2+a3+…+a51=12 - 22+32 - 42+…+492 - 502+512=1+(3 - 2)(3+2)+(5 - 4)(5+4)+…+(51 - 50)(51+50)=1+2+3+4+5+…+50+51=
51×(1+51)2=1 326.
6.B 由题图可得T4=7π12 - π3=π4(T为f (x)的最小正周期),
则T=π,ω=2πT=2.
将(7π12, - 1)代入f (x)=sin(2x+φ)中,可得7π6+φ=2kπ+3π2,k∈Z,则有φ=2kπ+π3,k∈Z.
又|φ|<π2,所以φ=π3,所以f (x)=sin(2x+π3),
所以an=f (nπ6)=sinnπ+π3,{an}为最小正周期为6的数列,
由a1=32,a2=0,a3= - 32,a4= - 32,a5=0,a6=32,
可得S2 019=336S6+(a1+a2+a3)=0+0=0.故选B.
7.A 对数列进行分组,如图D 6 - 4 - 1,
图D 6 - 4 - 1
则该数列前k组的项数和为1+2+3+…+k=k(k+1)2,由题意可知N>100,即k(k+1)2>100,结合k∈N*,解得k≥14,即N出现在第13组之后.
又第k组所有项的和为1 - 2k1 - 2=2k - 1,所以前k组所有项的和为1+(1+2)+…+(1+2+…+2k - 1)=(21 - 1)+(22 - 1)+…+(2k - 1)=(21+22+…+2k) - k=
2k+1 - k - 2.
设满足条件的N在第(t+1)(t∈N*,t≥13)组,且第N项为第(t+1)组的第m(m∈N*)个数,第(t+1)组的前m项和为1+2+22+…+2m - 1=2m - 1.
要使该数列的前N项和为2的整数幂,需使2m - 1与 - t - 2互为相反数,即2m - 1=2+t,所以2m=t+3,所以m=log2(t+3),所以m=4,t=13时,N=13×(13+1)2+4=95<100,不满足题意,当m=5,t=29时,N=29×(29+1)2+5=440,当m>5时,N>440,故选A.
8.D 因为a1=5,an+1=[an]+2,所以a2=2+25 - 2=6+25,a3=10+225 - 4=12+5,a4=14+25 - 2=18+25,a5=22+225 - 4=24+5,…,
所以a2 018=6×2 017+25,a2 019=6×2 018+5.则a2 019 - a2 018=6 - 5.故选D.
9.C 依题意得,数列{an}是以2为公比的等比数列,
因为最下层的浮雕的数量为a1,所以S7=a1(1 - 27)1 - 2=1 016,解得a1=8,
所以an=8×2n - 1=2n+2(1≤n≤7,n∈N*),
所以a3=25,a5=27,从而a3a5=25×27=212,所以log2(a3a5)=log2212=12.