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- 2021-06-16 发布
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第3讲 等比数列及其前n项和
1.等比数列的有关概念
(1)定义
如果一个数列从第2项起,每一项与它的前一项的比等于同一常数(不为零),那么这个数列就叫做等比数列.这个常数叫做等比数列的公比,通常用字母q表示,定义的表达式为=q(q≠0,n∈N*).
(2)等比中项
如果a、G、b成等比数列,那么G叫做a与b的等比中项.即:G是a与b的等比中项⇒G2=ab.
2.等比数列的有关公式
(1)通项公式:an=a1qn-1.
(2)前n项和公式:Sn=
3.等比数列的性质
已知数列{an}是等比数列,Sn是其前n项和.(m,n,p,q,r,k∈N*)
(1)若m+n=p+q=2r,则am·an=ap·aq=a;
(2)数列am,am+k,am+2k,am+3k,…仍是等比数列;
(3)数列Sm,S2m-Sm,S3m-S2m,…仍是等比数列(此时{an}的公比q≠-1).
判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)
(1)与等差数列类似,等比数列的各项可以是任意一个实数.( )
(2)公比q是任意一个常数,它可以是任意实数.( )
(3)三个数a,b,c成等比数列的充要条件是b2=ac.( )
(4)数列{an}的通项公式是an=an,则其前n项和为Sn=.( )
答案:(1)× (2)× (3)× (4)×
(教材习题改编)等比数列{an}中,a3=12,a4=18,则a6等于( )
A.27 B.36
C. D.54
解析:选C.由a3=12,a4=18,得解得a1=,q=,
所以a6=a1q5=×=.故选C.
(教材习题改编)设等比数列{an}的前n项和为Sn.若S2=3,S4=15,则S6=( )
A.31 B.32
C.63 D.64
解析:选C.由等比数列的性质,得(S4-S2)2=S2·(S6-S4),即122=3×(S6-15),解得S6=63.故选C.
在单调递减的等比数列{an}中,若a3=1,a2+a4=,则a1=________.
解析:在等比数列{an}中,a2a4=a=1,又a2+a4=,数列{an}为递减数列,所以a2=2,a4=,所以q2==,所以q=,a1==4.
答案:4
在数列{an}中,a1=2,an+1=2an,Sn为{an}的前n项和.若Sn=126,则n=________.
解析:由an+1=2an,知数列{an}是以a1=2为首项,公比q=2的等比数列,
由Sn==126,解得n=6.
答案:6
(教材习题改编)在9与243中间插入两个数,使它们同这两个数成等比数列,则这两个数为________.
解析:设该数列的公比为q,由题意知,
243=9×q3,得q3=27,所以q=3.
所以插入的两个数分别为9×3=27,27×3=81.
答案:27,81
等比数列基本量的运算
[典例引领]
(1)(2017·高考江苏卷)等比数列{an}的各项均为实数,其前n项和为Sn.已知S3=,S6=,则a8=________.
(2)(2017·高考全国卷Ⅱ)已知等差数列{an}的前n项和为Sn,等比数列{bn}的前n项和为Tn,a1=-1,b1=1,a2+b2=2.
①若a3+b3=5,求{bn}的通项公式;
②若T3=21,求S3.
【解】 (1)设等比数列{an}的公比为q,则由S6≠2S3得q≠1,则S3==,S6==,解得q=2,a1=,则a8=a1q7=×27=32.故填32.
(2)设{an}的公差为d,{bn}的公比为q,则an=-1+(n-1)d,bn=qn-1.
由a2+b2=2得d+q=3.(ⅰ)
①由a3+b3=5得2d+q2=6.(ⅱ)
联立(ⅰ)和(ⅱ)解得(舍去),
因此{bn}的通项公式为bn=2n-1.
②由b1=1,T3=21得q2+q-20=0,解得q=-5,q=4.
当q=-5时,由(ⅰ)得d=8,则S3=21.
当q=4时,由(ⅰ)得d=-1,则S3=-6.
解决等比数列有关问题的2种常用思想
方程
的思想
等比数列中有五个量a1,n,q,an,Sn,一般可以“知三求二”,通过列方程(组)求关键量a1和q,问题可迎刃而解
分类讨论
的思想
等比数列的前n项和公式涉及对公比q的分类讨论,当q=1时,{an}的前n项和Sn=na1;当q≠1时,{an}的前n项和Sn==
[通关练习]
1.(2018·武汉调研)设公比为q(q>0)的等比数列{an}的前n项和为Sn.若S2=3a2+2,S4=3a4+2,则a1=( )
A.-2 B.-1
C. D.
解析:选B.由S2=3a2+2,S4=3a4+2得a3+a4=3a4-3a2,即q+q2=3q2-3,解得q=-1(舍)或q=,将q=代入S2=3a2+2中得a1+a1=3×a1+2,解得a1=-1.故选B.
2.(2018·东北四市模拟)等比数列{an}中各项均为正数,Sn是其前n项和,且满足2S3=8a1+3a2,a4=16,则S4=________.
解析:由题意得,2(a1+a2+a3)=8a1+3a2,所以2a3-a2-6a1=0.设{an}的公比为q(q>0),则2a1q2-a1q-6a1=0,即2q2-q-6=0,解得q=2或q=-(舍去).因为a4=16,所以a1
=2,则S4==30.
答案:30
等比数列的判定与证明
[典例引领]
设数列{an}的前n项和为Sn,已知a1+2a2+3a3+…+nan=(n-1)Sn+2n(n∈N*).
(1)求a2,a3的值;
(2)求证:数列{Sn+2}是等比数列.
【解】 (1)因为a1+2a2+3a3+…+nan=(n-1)Sn+2n(n∈N*),
所以当n=1时,a1=2×1=2;
当n=2时,a1+2a2=(a1+a2)+4,
所以a2=4;
当n=3时,a1+2a2+3a3=2(a1+a2+a3)+6,
所以a3=8.
综上,a2=4,a3=8.
(2)证明:因为a1+2a2+3a3+…+nan=(n-1)Sn+2n(n∈N*).①
所以当n≥2时,a1+2a2+3a3+…+(n-1)an-1
=(n-2)Sn-1+2(n-1).②
①-②,得nan=(n-1)Sn-(n-2)Sn-1+2=n(Sn-Sn-1)-Sn+2Sn-1+2=nan-Sn+2Sn-1+2.
所以-Sn+2Sn-1+2=0,
即Sn=2Sn-1+2,
所以Sn+2=2(Sn-1+2).
因为S1+2=4≠0,
所以Sn-1+2≠0,所以=2,
故{Sn+2}是以4为首项,2为公比的等比数列.
等比数列的4种常用判定方法
定义法
若=q(q为非零常数,n∈N*)或=q(q为非零常数且n≥2,n∈N*),则{an}是等比数列
中项
若数列{an}中,an≠0且a=an·an+2(n∈N*),则数列{an}是等比数列
公式法
通项
公式法
若数列通项公式可写成an=c·qn-1(c,q均是不为0的常数,n∈N*),则{an}是等比数列
前n项和
公式法
若数列{an}的前n项和Sn=k·qn-k(k为常数且k≠0,q≠0,1),则{an}是等比数列
[注意] (1)前两种方法是判定等比数列的常用方法,常用于证明;后两种方法常用于选择题、填空题中的判定.
(2)若要判定一个数列不是等比数列,则只需判定存在连续三项不成等比数列即可.
[通关练习]
设数列{an}的前n项和为Sn,n∈N*.已知a1=1,a2=,a3=,且当n≥2时,4Sn+2+5Sn=8Sn+1+Sn-1.
(1)求a4的值;
(2)证明:为等比数列.
解:(1)当n=2时,4S4+5S2=8S3+S1,
即4+5=8+1,解得a4=.
(2)证明:由4Sn+2+5Sn=8Sn+1+Sn-1(n≥2),
4Sn+2-4Sn+1+Sn-Sn-1=4Sn+1-4Sn(n≥2),
即4an+2+an=4an+1(n≥2).
因为4a3+a1=4×+1=6=4a2,
所以4an+2+an=4an+1,所以
====,
所以数列是以a2-a1=1为首项,为公比的等比数列.
等比数列的性质(高频考点)
等比数列的性质是每年高考的重点,多与等比数列基本量的计算综合考查,难度适中,既有选择、填空题,也有解答题,主要命题角度有:
(1)等比数列项的性质;
(2)等比数列前n项和的性质.
[典例引领]
角度一 等比数列项的性质
(1)若等比数列{an}的各项均为正数,且a10a11+a9a12=2e5,则ln a1+ln a2+…+ln a20=________.
(2)等比数列{an}的前n项和为Sn,若an>0,q>1,a3+a5=20,a2a6=64,则S5=________.
【解析】 (1)因为a10a11+a9a12=2a10a11=2e5,
所以a10a11=e5.
所以ln a1+ln a2+…+ln a20
=ln(a1a2…a20)
=ln[(a1a20)·(a2a19)·…·(a10a11)]
=ln(a10a11)10=10ln(a10a11)
=10ln e5=50ln e=50.
(2)由等比数列的性质,得a3a5=a2a6=64,于是由且an>0,q>1,得a3=4,a5=16,所以解得所以S5==31.
【答案】 (1)50 (2)31
角度二 等比数列前n项和的性质
(1)等比数列{an}中,前n项和为48,前2n项和为60,则其前3n项和为________.
(2)数列{an}是一个项数为偶数的等比数列,所有项之和是偶数项之和的4倍,前三项之积为64,则此数列的通项公式为an=________.
【解析】 (1)法一:设数列{an}的前n项和为Sn.
因为S2n≠2Sn,
所以q≠1,由前n项和公式得
②÷①,得1+qn=,
所以qn=.③
将③将入①,得=64.
所以S3n==64×=63.
法二:设数列{an}的前n项和为Sn,
因为{an}为等比数列,
所以Sn,S2n-Sn,S3n-S2n也成等比数列,
所以(S2n-Sn)2=Sn(S3n-S2n),
即S3n=+S2n=+60=63.
法三:设数列{an}的前n项和为Sn,
因为S2n=Sn+qnSn,
所以qn==,
所以S3n=S2n+q2nSn=60+×48=63.
(2)设此数列{an}的公比为q,
由题意,知S奇+S偶=4S偶,
所以S奇=3S偶,
所以q==.
又a1a2a3=64,即a1(a1q)(a1q2)=aq3=64,
所以a1q=4.又q=,所以a1=12,
所以an=a1qn-1=12×.
【答案】 (1)63 (2)12×
等比数列常见性质的应用
等比数列性质的应用可以分为三类
(1)通项公式的变形;
(2)等比中项的变形;
(3)前n项和公式的变形.根据题目条件,认真分析,发现具体的变化特征即可找出解决问题的突破口.
[注意] 在应用相应性质解题时,要注意性质成立的前提条件,有时需要进行适当变形.此外,解题时注意设而不求思想的运用.
[通关练习]
1.已知等比数列{an}满足a1=,a3a5=4(a4-1),则a2=( )
A.2 B.1
C. D.
解析:选C.法一:因为a3a5=a,a3a5=4(a4-1),
所以a=4(a4-1),
所以a-4a4+4=0,
所以a4=2.又因为q3===8,
所以q=2,所以a2=a1q=×2=,故选C.
法二:因为a3a5=4(a4-1),
所以a1q2·a1q4=4(a1q3-1),
将a1=代入上式并整理,得q6-16q3+64=0,
解得q=2,
所以a2=a1q=,故选C.
2.(2018·云南11校跨区调研)已知数列{an}是等比数列,Sn为其前n项和,若a1+a2+a3=4,a4+a5+a6=8,则S12=( )
A.40 B.60
C.32 D.50
解析:选B.由等比数列的性质可知,数列S3,S6-S3,S9-S6,S12-S9是等比数列,即数列4,8,S9-S6,S12-S9是等比数列,因此S12=4+8+16+32=60,选B.
3.已知等比数列{an}的首项a1=-1,其前n项和为Sn,若=,则公比q=________.
解析:由=,a1=-1知公比q≠1,则=-.由等比数列前n项和的性质知S5,S10-S5,S15-S10成等比数列,且公比为q5,故q5=-,q=-.
答案:-
等比数列基本量的计算方法
等比数列基本量的运算是等比数列中的一类基本问题,数列中有五个量a1,n,q,an,Sn,一般可以“知三求二”,通过列方程(组)便可迎刃而解.
判定等比数列的方法
要证明一个数列是等比数列,最终需归结到定义上,即证=q(q是不为0的常数).具体方法见本讲[例2]的[规律方法].
求解等比数列问题常用的数学思想
(1)方程思想:如求等比数列中的基本量.
(2)分类讨论思想:如求和时要分q=1和q≠1两种情况讨论,判断单调性时对a1与q分类讨论.
等比数列中的4个易误点
(1)特别注意q=1时,Sn=na1这一特殊情况.
(2)由an+1=qan,q≠0,并不能立即断言{an}为等比数列,还要验证a1≠0.
(3)在运用等比数列的前n项和公式时,必须注意对q=1与q≠1分类讨论,防止因忽略q=1这一特殊情形而导致解题失误.
(4)Sn,S2n-Sn,S3n-S2n未必成等比数列(例如:当公比q=-1且n为偶数时,Sn,S2n-Sn,S3n-S2n不成等比数列;当q≠-1或q=-1且n为奇数时,Sn,S2n-Sn,S3n-S2n成等比数列),但等式(S2n-Sn)2=Sn·(S3n-S2n)总成立.
1.设Sn为等比数列{an}的前n项和,已知3S3=a4-2,3S2=a3-2,则公比q=( )
A.3 B.4
C.5 D.6
解析:选B.由题意知,q≠1,则,两式相减可得=q3-q2,即=1,所以q=4.
2.(2018·成都第二次诊断检测)在等比数列{an}中,已知a3=6,a3+a5+a7=78,则a5=( )
A.12 B.18
C.36 D.24
解析:选B.a3+a5+a7=a3(1+q2+q4)=6(1+q2+q4)=78⇒1+q2+q4=13⇒q2=3,所以a5=a3q2=6×3=18.故选B.
3.(2017·高考全国卷Ⅱ)我国古代数学名著《算法统宗》中有如下问题:“远望巍巍塔七层,红光点点倍加增,共灯三百八十一,请问尖头几盏灯?”意思是:一座7层塔共挂了381盏灯,且相邻两层中的下一层灯数是上一层灯数的2倍,则塔的顶层共有灯( )
A.1盏 B.3盏
C.5盏 D.9盏
解析:选B.每层塔所挂的灯数从上到下构成等比数列,记为{an},则前7项的和S7=381,公比q=2,依题意,得=381,解得a1=3,选择B.
4.(2018·广州综合测试(一))已知等比数列{an}的各项都为正数,且a3,a5,a4成等差数列,则的值是( )
A. B.
C. D.
解析:选A.设等比数列{an}的公比为q,由a3,a5,a4成等差数列可得a5=a3+a4,即a3q2=a3+a3q,故q2-q-1=0,解得q=或q=(舍去),由======,故选A.
5.在正项等比数列{an}中,已知a1a2a3=4,a4a5a6=12,an-1anan+1=324,则n等于( )
A.12 B.13
C.14 D.15
解析:选C.因为数列{an}是各项均为正数的等比数列,所以a1a2a3,a4a5a6,a7a8a9,a10a11a12,…也成等比数列.
不妨令b1=a1a2a3,b2=a4a5a6,则公比q===3.
所以bm=4×3m-1.
令bm=324,即4×3m-1=324,
解之得m=5,
所以b5=324,即a13a14a15=324.
所以n=14.
6.在等比数列{an}中,若a1a5=16,a4=8,则a6=________.
解析:因为a1a5=16,所以a=16,所以a3=±4.
又a4=8,所以q=±2.
所以a6=a4q2=8×4=32.
答案:32
7.已知数列{an}是递增的等比数列,a1+a4=9,a2a3=8,则数列{an}的前n项和Sn
=________.
解析:设等比数列的公比为q,则有
解得或
又{an}为递增数列,所以
所以Sn==2n-1.
答案:2n-1
8.(2018·郑州第二次质量预测)设等比数列{an}的前n项和为Sn,若27a3-a6=0,则=________.
解析:由题可知{an}为等比数列,设首项为a1,公比为q,所以a3=a1q2,a6=a1q5,所以27a1q2=a1q5,
所以q=3,由Sn=,
得S6=,S3=,
所以=·=28.
答案:28
9.已知等差数列{an}和等比数列{bn}满足a1=b1=1,a2+a4=10,b2b4=a5.
(1)求{an}的通项公式;
(2)求和:b1+b3+b5+…+b2n-1.
解:(1)设等差数列{an}的公差为d.
因为a2+a4=10,所以2a1+4d=10.
解得d=2.
所以an=2n-1.
(2)设等比数列{bn}的公比为q.
因为b2b4=a5,所以b1qb1q3=9.
解得q2=3.
所以b2n-1=b1q2n-2=3n-1.
从而b1+b3+b5+…+b2n-1=1+3+32+…+3n-1=.
10.(2017·高考全国卷Ⅰ)记Sn为等比数列{an}的前n项和,已知S2=2,S3=-6.
(1)求{an}的通项公式;
(2)求Sn,并判断Sn+1,Sn,Sn+2是否成等差数列.
解:(1)设{an}的公比为q.由题设可得解得q=-2,a1=-2.
故{an}的通项公式为an=(-2)n.
(2)由(1)可得Sn==-+(-1)n.
由于Sn+2+Sn+1=-+(-1)n=2[-+(-1)n]=2Sn,故Sn+1,Sn,Sn+2成等差数列.
1.在递增的等比数列{an}中,已知a1+an=34,a3·an-2=64,且前n项和Sn=42,则n等于( )
A.3 B.4
C.5 D.6
解析:选A.因为{an}为等比数列,
所以a3·an-2=a1·an=64.
又a1+an=34,
所以a1,an是方程x2-34x+64=0的两根,
解得或
又因为{an}是递增数列,
所以
由Sn===42,
解得q=4.
由an=a1qn-1=2×4n-1=32,
解得n=3.故选A.
2.设{an}是等比数列,Sn是{an}的前n项和,对任意正整数n,有an+2an+1+an+2=0.又a1=2,则S101的值为( )
A.2 B.200
C.-2 D.0
解析:选A.设等比数列的公比为q.由an+2an+1+an+2=0,
得an(1+2q+q2)=0.
因为an≠0,所以1+2q+q2=0,
解得q=-1,
所以S101=a1=2.故选A.
3.已知数列{an}满足a1=2且对任意的m,n∈N+,都有=an,则数列{an}的前n项和Sn=________.
解析:因为=an,
令m=1,则=an,
即=a1=2,
所以{an}是首项a1=2,公比q=2的等比数列,
Sn==2n+1-2.
答案:2n+1-2
4.在各项均为正数的等比数列{an}中,已知a2a4=16,a6=32,记bn=an+an+1,则数列{bn}的前5项和S5为________.
解析:设数列{an}的公比为q,由a=a2a4=16得,a3=4,即a1q2=4,又a6=a1q5=32,解得a1=1,q=2,所以an=a1qn-1=2n-1,bn=an+an+1=2n-1+2n=3·2n-1,所以数列{bn}是首项为3,公比为2的等比数列,所以S5==93.
答案:93
5.已知{an}是等差数列,满足a1=3,a4=12,数列{bn}满足b1=4,b4=20,且{bn-an}为等比数列.
(1)求数列{an}和{bn}的通项公式;
(2)求数列{bn}的前n项和.
解:(1)设等差数列{an}的公差为d,由题意得
d===3,
所以an=a1+(n-1)d=3n(n=1,2,…).
设等比数列{bn-an}的公比为q,由题意得
q3===8,解得q=2.
所以bn-an=(b1-a1)qn-1=2n-1.
从而bn=3n+2n-1(n=1,2,…).
(2)由(1)知bn=3n+2n-1(n=1,2,…).
数列{3n}的前n项和为n(n+1),数列{2n-1}的前n项和为=2n-1.
所以,数列{bn}的前n项和为n(n+1)+2n-1.
6.已知数列{an}的前n项和为Sn,数列{bn}中,b1=a1,bn=an-an-1(n≥2),且an+Sn=n.
(1)设cn=an-1,求证:{cn}是等比数列;
(2)求数列{bn}的通项公式.
解:(1)证明:因为an+Sn=n①,
所以an+1+Sn+1=n+1②.
②-①得an+1-an+an+1=1,
所以2an+1=an+1,所以2(an+1-1)=an-1,
当n=1时,a1+S1=1,所以a1=,a1-1=-,
所以=,又cn=an-1,
所以{cn}是首项为-,公比为的等比数列.
(2)由(1)可知cn=·=-,
所以an=cn+1=1-.
所以当n≥2时,bn=an-an-1=1--=-=.
又b1=a1=也符合上式,
所以bn=.