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- 2021-07-01 发布
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§6.3 等比数列及其前n项和
考情考向分析 以考查等比数列的通项、前n项和及性质为主,等比数列的证明也是考查的热点.本节内容在高考中既可以以填空题的形式进行考查,也可以以解答题的形式进行考查.解答题往往与等差数列、数列求和、不等式等问题综合考查.
1.等比数列的有关概念
(1)定义:一般地,如果一个数列从第二项起,每一项与它的前一项的比都等于同一个常数(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(n∈N*,q为非零常数).
(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⇔a,G,b成等比数列⇒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.等比数列的常用性质
(1)通项公式的推广:an=am·qn-m(n,m∈N*).
(2)若m+n=p+q=2k(m,n,p,q,k∈N*),则am·an=ap·aq=a.
(3)若数列{an},{bn}(项数相同)是等比数列,则{λan},,{a},{an·bn},(λ≠0)仍然是等比数列.
(4)在等比数列{an}中,等距离取出若干项也构成一个等比数列,即an,an+k,an+2k,an+3k,…为等比数列,公比为qk.
概念方法微思考
1.将一个等比数列的各项取倒数,所得的数列还是一个等比数列吗?若是,这两个等比数列的公比有何关系?
提示 仍然是一个等比数列,这两个数列的公比互为倒数.
2.任意两个实数都有等比中项吗?
提示 不是.只有同号的两个非零实数才有等比中项.
3.“b2=ac”是“a,b,c”成等比数列的什么条件?
提示 必要不充分条件.因为b2=ac时不一定有a,b,c成等比数列,比如a=0,b=0,c=1.但a,b,c成等比数列一定有b2=ac.
题组一 思考辨析
1.判断下列结论是否正确(请在括号中打“√”或“×”)
(1)满足an+1=qan(n∈N*,q为常数)的数列{an}为等比数列.( × )
(2)如果数列{an}为等比数列,bn=a2n-1+a2n,则数列{bn}也是等比数列.( × )
(3)如果数列{an}为等比数列,则数列{ln an}是等差数列.( × )
(4)数列{an}的通项公式是an=an,则其前n项和为Sn=.( × )
(5)数列{an}为等比数列,则S4,S8-S4,S12-S8成等比数列.( × )
题组二 教材改编
2.[P54T3]已知{an}是等比数列,a2=2,a5=,则公比q=______.
答案
解析 由题意知q3==,∴q=.
3.[P54T9]公比不为1的等比数列{an}满足a5a6+a4a7=18,若a1am=9,则m的值为________.
答案 10
解析 由题意得2a5a6=18,∴a5a6=9,
又a1am=9,∴a1am=a5a6,∴m=10.
题组三 易错自纠
4.若1,a1,a2,4成等差数列,1,b1,b2,b3,4成等比数列,则的值为________.
答案 -
解析 ∵1,a1,a2,4成等差数列,
∴3(a2-a1)=4-1,∴a2-a1=1.
又∵1,b1,b2,b3,4成等比数列,设其公比为q,
则b=1×4=4,且b2=1×q2>0,∴b2=2,
∴==-.
5.设Sn为等比数列{an}的前n项和,8a2+a5=0,则=________.
答案 -11
解析 设等比数列{an}的公比为q,
∵8a2+a5=0,∴8a1q+a1q4=0.
∴q3+8=0,∴q=-2,
∴=·
===-11.
6.一种专门占据内存的计算机病毒开机时占据内存1 MB,然后每3秒自身复制一次,复制后所占内存是原来的2倍,那么开机________秒,该病毒占据内存8 GB.(1 GB=210 MB)
答案 39
解析 由题意可知,病毒每复制一次所占内存的大小构成一等比数列{an},且a1=2,q=2,∴an=2n,
则2n=8×210=213,∴n=13.
即病毒共复制了13次.
∴所需时间为13×3=39(秒).
题型一 等比数列基本量的运算
1.已知等比数列{an}满足a1=,a3a5=4(a4-1),则a2=________.
答案
解析 设等比数列{an}的公比为q,
由题意知a3a5=4(a4-1)=a,
则a-4a4+4=0,解得a4=2,
又a1=,所以q3==8,
即q=2,所以a2=a1q=.
2.(2018·全国Ⅲ)等比数列{an}中,a1=1,a5=4a3.
(1)求{an}的通项公式;
(2)记Sn为{an}的前n项和,若Sm=63,求m.
解 (1)设{an}的公比为q,由题设得an=qn-1.
由已知得q4=4q2,解得q=0(舍去),q=-2或q=2.
故an=(-2)n-1或an=2n-1(n∈N*).
(2)若an=(-2)n-1,则Sn=.
由Sm=63,得(-2)m=-188,此方程没有正整数解.
若an=2n-1,则Sn=2n-1.
由Sm=63,得2m=64,解得m=6.
综上,m=6.
思维升华 (1)等比数列的通项公式与前n项和公式共涉及五个量a1,an,q,n,Sn,已知其中三个就能求另外两个(简称“知三求二”).
(2)运用等比数列的前n项和公式时,注意对q=1和q≠1的分类讨论.
题型二 等比数列的判定与证明
例1 已知数列{an}满足对任意的正整数n,均有an+1=5an-2·3n,且a1=8.
(1)证明:数列{an-3n}为等比数列,并求数列{an}的通项公式;
(2)记bn=,求数列{bn}的前n项和Tn.
解 (1)因为an+1=5an-2·3n,
所以an+1-3n+1=5an-2·3n-3n+1=5(an-3n),
又a1=8,所以a1-3=5≠0,
所以数列{an-3n}是首项为5、公比为5的等比数列.
所以an-3n=5n,所以an=3n+5n(n∈N*).
(2)由(1)知,bn===1+n,
则数列{bn}的前n项和Tn=1+1+1+2+…+1+n=n+=+n-(n∈N*).
思维升华 判定一个数列为等比数列的常见方法:
(1)定义法:若=q(q是非零常数),则数列{an}是等比数列;
(2)等比中项法:若a=anan+2(n∈N*,an≠0),则数列{an}是等比数列;
(3)通项公式法:若an=Aqn(A,q为非零常数),则数列{an}是等比数列.
跟踪训练1 设数列{an}的前n项和为Sn,已知a1=1,Sn+1=4an+2.
(1)设bn=an+1-2an,证明:数列{bn}是等比数列;
(2)求数列{an}的通项公式.
(1)证明 由a1=1及Sn+1=4an+2,
有a1+a2=S2=4a1+2.
∴a2=5,∴b1=a2-2a1=3.
又
①-②,得an+1=4an-4an-1(n≥2),
∴an+1-2an=2(an-2an-1)(n≥2).
∵bn=an+1-2an,∴bn=2bn-1(n≥2),
故{bn}是首项b1=3,公比为2的等比数列.
(2)解 由(1)知bn=an+1-2an=3·2n-1,
∴-=,
故是首项为,公差为的等差数列.
∴=+(n-1)·=,
故an=(3n-1)·2n-2(n∈N*).
题型三 等比数列的综合应用
例2 (2018·扬州模拟)已知各项都是正数的数列{an}的前n项和为Sn,且2Sn=a+an,数列{bn}满足b1=,2bn+1=bn+.
(1)求数列{an},{bn}的通项公式;
(2)设数列{cn}满足cn=,求c1+c2+…+cn的和.
解 (1)由题意知2Sn=a+an, ①
2Sn+1=a+an+1, ②
②-①得2an+1=a-a+an+1-an,
即(an+1+an)(an+1-an-1)=0.
因为{an}是正数数列,
所以an+1-an-1=0,即an+1-an=1,
所以{an}是公差为1的等差数列.
在2Sn=a+an中,令n=1,得a1=1,
所以an=n.
由2bn+1=bn+,得=·,
所以数列是等比数列,其中首项为,公比为,
所以=n,即bn=.
(2)由(1)知Sn==,
所以cn===-,
所以c1+c2+…+cn=-.
思维升华 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.
跟踪训练2 (1)已知数列{an}是等比数列,若a2=1,a5=,则a1a2+a2a3+…+anan+1(n∈N*)的最小值为________.
答案 2
解析 由已知得数列{an}的公比满足q3==,
解得q=,∴a1=2,a3=,
故数列{anan+1}是以2为首项,公比为=的等比数列,
∴a1a2+a2a3+…+anan+1=
=∈.
(2)已知等比数列{an}的前n项和为Sn,且=,则=________.(n≥2,且n∈N*)
答案 -
解析 很明显等比数列的公比q≠1,
则由题意可得===,
解得q=,
则====-.
等差数列与等比数列
关于等差(比)数列的基本运算在高考试题中频繁出现,其实质就是解方程或方程组,需要认真计算,灵活处理已知条件.
例 (1)已知等差数列{an}的首项和公差均不为0,且满足a2,a5,a7成等比数列,则的值为________.
答案
解析 已知等差数列{an}的首项和公差均不为0,且满足a2,a5,a7成等比数列,
∴a=a2a7,∴(a1+4d)2=(a1+d)(a1+6d),∴10d2=-a1d,∵d≠0,∴-10d=a1,∴===.
(2)已知{an}为等比数列,数列{bn}满足b1=2,b2=5,且an(bn+1-bn)=an+1,则数列{bn}的前n项和为________.
答案 (n∈N*)
解析 ∵b1=2,b2=5,且an(bn+1-bn)=an+1,
∴a1(b2-b1)=a2,即a2=3a1,
又数列{an}为等比数列,∴数列{an}的公比q=3,
∴bn+1-bn==3,
∴数列{bn}是首项为2,公差为3的等差数列,
∴数列{bn}的前n项和为Sn=2n+×3=(n∈N*).
(3)(2018·苏州调研)若数列{an}的前n项和Sn满足Sn=(1+an)(n∈N*),则a4的值为________.
答案 -81
解析 ∵Sn=(1+an)(n∈N*),
∴当n=1时,a1=-3,
∴当n≥2时,an=Sn-Sn-1=(an-an-1),
即=3,
∴{an}是首项为-3,公比为3的等比数列.
∴an=-3n.∴a4=-81.
(4)(2018·江苏省南京市秦淮中学模拟)已知数列{an}中,a1=1,a2=3,若an+2+2an+1+an=0对任意n∈N*都成立,则数列{an}的前n项和Sn=________.
答案
解析 a1=1,a2=3,an+2+2an+1+an=0对任意n∈N*都成立,
可得an+2+an+1=-(an+1+an),a2+a1=4.
则数列{an+1+an}是等比数列,首项为4,公比为-1.
∴an+1+an=4×(-1)n-1.
an+an-1=4×(-1)n-2,
当n=1时,a1=1,
当n=2k+1(k∈N*)时,a2k+1+a2k=-4,
Sn=S2k+1
=a1+a2+a3+…+a2k+a2k+1
=a1+(-4k)=3-2n,
当n=2k(k∈N*)时,a2k+a2k-1=4,
Sn=S2k=4k=2n.
∴Sn=
1.已知等比数列{an}满足a1=1,a3a7=16,则该数列的公比为________.
答案 ±
解析 根据等比数列的性质可得a3·a7=a=a·q8=q8=16=24,
所以q2=2,即q=±.
2.(2018·苏州调研)设各项均为正数的等比数列{an}的前n项和为Sn,已知a2=6,a3-3a1=12,则S5=________.
答案 242
解析 由题意得∴a1=2,q=3.
所以S5==242.
3.(2018·江苏省南京金陵中学月考)设各项均为正数的等比数列{an}的前n项和为Sn,若a5-a2=78,S3=13,则数列{an}的通项公式为an=________.
答案 3n-1(n∈N*)
解析 因为数列{an}为等比数列,a5-a2=78,S3=13,
所以解得或(舍去),
所以an=3n-1(n∈N*).
4.等比数列{an}的前n项和为Sn=32n-1+r,则r的值为________.
答案 -
解析 当n=1时,a1=S1=3+r,
当n≥2时,an=Sn-Sn-1=32n-1-32n-3
=32n-3(32-1)=8·32n-3=8·32n-2·3-1
=·9n-1,
即等比数列{an}的首项为,公比为9,
所以3+r=,即r=-.
5.已知等比数列{an}的公比为-2,且Sn为其前n项和,则=________.
答案 5
解析 由题意可得,
==1+(-2)2=5.
6.古代数学著作《九章算术》有如下问题:“今有女子善织,日自倍,五日织五尺,问日织几何?”意思是:“一女子善于织布,每天织的布都是前一天的2倍,已知她5天共织布5尺,问这女子每天分别织布多少?”根据问题的已知条件,若要使织布的总尺数不少于30,该女子所需的天数至少为________.
答案 8
解析 由题意知其每天织布尺数构成公比为2的等比数列,可设该女子第一天织布x尺,
则=5,解得x=,
所以前n天织布的尺数为(2n-1),
由(2n-1)≥30,得2n≥187,
又因为n为正整数,所以n的最小值为8.
7.若正项等比数列{an}满足anan+1=22n(n∈N*),则a6-a5的值是________.
答案 16
解析 设正项等比数列{an}的公比为q>0,
∵anan+1=22n(n∈N*),
∴==4=q2,解得q=2,
∴a×2=22n,an>0,解得an=,
则a6-a5=-=16.
8.已知等比数列{an}的前n项和为Sn,且a1=2 018,a2+a4=-2a3,则S2 019=________.
答案 2 018
解析 ∵a2+a4=-2a3,
∴a2+a4+2a3=0,a2+2a2q+a2q2=0,
∴q2+2q+1=0,解得q=-1.
∵a1=2 018,
∴S2 019==
=2 018.
9.已知各项均为正数的等比数列{an}满足a1=,且a2a8=2a5+3,则a9=________.
答案 18
解析 ∵a2a8=2a5+3,∴a=2a5+3,
解得a5=3(舍负),即a1q4=3,
则q4=6,a9=a1q8=×36=18.
10.设等比数列{an}的前n项和为Sn,若a3a11=2a,且S4+S12=λS8,则λ=________.
答案
解析 ∵a3a11=2a,∴a=2a,∴q4=2,
∵S4+S12=λS8,
∴+=,
1-q4+1-q12=λ(1-q8),
将q4=2代入计算可得λ=.
11.(2018·全国Ⅰ)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{an}的通项公式.
解 (1)由条件可得an+1=an,
将n=1代入得a2=4a1,而a1=1,所以a2=4.
将n=2代入得a3=3a2,所以a3=12.
从而b1=1,b2=2,b3=4.
(2){bn}是首项为1,公比为2的等比数列.
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*).
12.已知数列{an}满足a1=1,a2=2,an+2=,n∈N*.
(1)令bn=an+1-an,证明:{bn}是等比数列;
(2)求数列{an}的通项公式.
(1)证明 b1=a2-a1=1.
当n≥2时,bn=an+1-an=-an
=-(an-an-1)=-bn-1,
∴{bn}是以1为首项,-为公比的等比数列.
(2)解 由(1)知bn=an+1-an=n-1,
当n≥2时,
an=a1+(a2-a1)+(a3-a2)+…+(an-an-1)
=1+1++…+n-2
=1+=1+
=-n-1.
当n=1时,-×1-1=1=a1,
∴an=-n-1(n∈N*).
13.等比数列{an}的首项为,公比为-,前n项和为Sn,则当n∈N*时,Sn-的最大值与最小值的比值为________.
答案 -
解析 ∵等比数列{an}的首项为,公比为-,
∴an=×n-1,
∴Sn==1-n.
①当n为奇数时,Sn=1+n随着n的增大而减小,则11 024的最小n的值为________.
答案 9
解析 由数列{an}的前n项和为Sn=2n+1-2,
则当n≥2时,an=Sn-Sn-1=2n+1-2-2n+2=2n,
a1=S1=2,满足上式,
所以bn=log2(a·)=log2a+log2=2n+2n,
所以数列{bn}的前n和为Tn=+
=n(n+1)+2n+1-2,
易知当n∈N*时,Tn随着n的增大而增大.
又当n=9时,T9=9×10+210-2=1 112>1 024,
当n=8时,T8=8×9+29-2=582<1 024,
所以满足Tn>1 024的最小n的值为9.
15.已知等比数列{an}的各项均为正数且公比大于1,前n项积为Tn,且a2a4=a3,则使得Tn>1的n的最小值为________.
答案 6
解析 ∵{an}是各项均为正数的等比数列,且a2a4=a3,∴a=a3,∴a3=1.又∵q>1,∴a11(n>3),∴Tn>Tn-1(n≥4,n∈N*),T1<1,T2=a1·a2<1,T3=a1·a2·a3=a1a2=T2<1,T4=a1a2a3a4=a1<1,T5=a1·a2·a3·a4·a5=a=1,T6=T5·a6=a6>1,故n的最小值为6.
16.在数列的每相邻两项之间插入此两项的积,形成新的数列,这样的操作叫做该数列的一次“扩展”.将数列1,2进行“扩展”,第一次得到数列1,2,2;第二次得到数列1,2,2,4,2;….设第n次“扩展”后得到的数列为1,x1,x2,…,xt,2,并记an=log2(1·x1·x2·…·xt·2),其中t=2n-1,n∈N*,求数列{an}的通项公式.
解 an=log2(1·x1·x2·…·xt·2),
所以an+1=log2[1·(1·x1)·x1·(x1·x2)·…·xt·(xt·2)·2]
=log2(12·x·x·x·…·x·22)=3an-1,
所以an+1-=3,
又a1-=log24-=,
所以数列是一个以为首项,以3为公比的等比数列,
所以an-=×3n-1,所以an=(n∈N*).