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- 2021-05-13 发布
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专题40 新信息背景下的数列问题
【热点聚焦与扩展】
含“新信息”背景的数列问题,往往使人感到是难题.难点通常为:一是对于新的概念与规则,学生在处理时会有一个熟悉的过程,不易抓住信息的关键部分并用于解题之中,二是学生不易发现每一问所指向的知识点.传统题目通常在问法上就直接表明该用哪些知识进行处理,例如“求通项,求和”.但新信息问题所问的因为与新信息相关,所以要运用的知识隐藏的较深,不易让学生找到解题的方向.三是此类问题的解答题,往往设计成为“连环题”,即前面问题的处理是为了后一问做好铺垫.但学生不易发现其中联系,从而导致在处理最后一问时还要重整旗鼓,再加上可能要进行的分类讨论,解题难度陡然增加.本专题通过例题说明应对这种“新信息”背景下数列问题的方法与技巧.
1、此类问题常涉及的知识点
(1)等差数列与等比数列的性质与求和公式
(2)数列的单调性
(3)放缩法证明不等式
(4)简单的有关整数的结论
(5)数学归纳法与反证法
2、解决此类问题的一些技巧:
(1)此类问题在设立问题中通常具有“环环相扣,层层递进”的特点,第(1)问让你熟悉所创设的定义与背景,第(2),(3)问便进行进一步的应用,那么在解题的过程中要注意解决前面一问中的过程与结论,因为这本身就是对“新信息”的诠释与应用.抓住“新信息”的特点,找到突破口,第(2)(3)问便可寻找到处理的思路
(2)尽管此类题目与传统的数列“求通项,求和”的风格不同,但其根基依然是我们所学的一些基知识与方法.所以在考虑问题时也要注意应用转化与化归思想,向一些基本知识点靠拢,弄清本问所考查的与哪个知识点有关,以便找到一些线索.
(3)在分类讨论时要遵循“先易后难”的原则,以相对简单的情况入手,可能在解决的过程中会发现复杂情况与该情况的联系,或者发现一些通用的做法与思路,使得复杂情况也有章可循.
【经典例题】
例1.【2019届百校联盟高三TOP20四月联考】已知数列中,,定义,则( )
29
A. B. C. D.
【答案】C
【解析】分析:先通过已知求出,再利用裂项相消求和.
所以故选C.
点睛:“新定义”主要是指即时定义新概念、新公式、新定理、新法则、新运算五种,然后根据此新定义去解决问题,有时还需要用类比的方法去理解新的定义,这样有助于对新定义的透彻理解.对于此题中的新概念,对阅读理解能力有一定的要求.但是,透过现象看本质,它们考查的还是基础数学知识,所以说“新题”不一定是“难题”,掌握好三基,以不变应万变才是制胜法宝.
例2.对于数列,定义为数列的“好数”,已知某数列的“好数”,记数列的前项和为,若对任意的恒成立,则实数的取值范围为( )
A. B. C. D.
【答案】B
【解析】分析:由题意首先求得的通项公式,然后结合等差数列的性质得到关于k的不等式组,求解不等式组即可求得最终结果.
29
详解:由题意, ,
则,很明显
n⩾2时,,
即,解得:.
实数的取值范围为.
本题选择B选项.
例3.【2019届山东省烟台市高三高考适应性练习(一)】已知在平面直角坐标系中,依次连接点得到折线,若折线所在的直线的斜率为,则数列的前项和为__________.
【答案】
【解析】分析:先由题意得到数列的递推关系,然后根据累加法求得数列的通项公式,再结合通项公式的特征选择求和的方法求解即可.
29
详解:由题意得直线的斜率为,即,解得.
当时,直线的斜率为,
即,
又满足上式,
∴.
∴数列的前项和为.
点睛:本题将数列与解析几何综合在一起,考查数列的递推关系、数列通项公式和前n项和的求法,解题的关键是根据题意,将其中直线斜率的问题转化为数列的问题,然后再结合数列的相关知识求解.
例4.【2019届河南省名校压轴第二次考试】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”.将数列进行“扩展”,第一次得到数列;第二次得到数列;….设第次“扩展”后得到的数列为,并记,其中,则数列的前项和为__________.
【答案】
【解析】分析:先求出,再找到关系构造数列求出,最后求数列的前n项和得解.
29
详解:,
所以
=
所以,
故答案为:
点睛:(1)本题属于定义题,考查学生理解新定义及利用定义解决数学问题的能力,同时考查了等比数列的通项和前n项和,考查了数列分组求和. (2)解答本题的关键是想到找的关系,并能找到关系
例5.【2019届四川省南充市三诊】在数列中,若 (,,为常数),则称为“等方差数列”.下列对“等方差数列”的判断:
①若是等方差数列,则是等差数列;
②是等方差数列;
③若是等方差数列,则 (,为常数)也是等方差数列.其中正确命题序号为
__________(写出所有正确命题的序号).
【答案】①②③
【解析】分析:根据等方差数列的定义①{an}是等方差数列,则an2-an-12=p(p为常数),根据等差数列的定义,可证;②验证[(-1)n]2-[(-1)n-1]2是一个常数;③验证akn+12-akn2是一个常数.
详解:①∵是等方差数列,∴(p为常数)得到为首项是,公差为p的等差数列;
29
∴{}是等差数列;
②数列中,,
∴是等方差数列;故②正确;
③数列{}中的项列举出来是,,,…,,…,,…
故答案为:①②③.
点睛:(1)做新定义的试题时要严格按照定义列代数式;
(2)验证数列是否为等差数列时,一般可以利用定义法、等差中项法和通项公式法.
例6.设数列的前项和为,点均在函数的图象上.
(1)求数列的通项公式;
(2)设,为数列的前n项和,求使得成立的最小正整数.
【答案】(1);(2)9
【解析】试题分析:(1)将点代入函数不等式,得,再根据和项与通项关系求数列的通项公式;(2)先裂项:,再利用裂项相消法求,解分式不等式得n范围,即得其最小正整数.
试题解析:(1)∵点在函数y = 3x-2的图象上,
,∴a1= s1 =1
29
当
(2)
因此,使得成立的最小整数n为9
例7.【2019届浙江省金华十校4月高考模拟】已知数列,,,设,其中表示不大于的最大整数.设,数列的前项和为.求证:
(Ⅰ);
(Ⅱ)当时,.
【答案】(Ⅰ)见解析;(Ⅱ)见解析.
可证得.结合 ,可证得.则题中的命题成立.
试题解析:
29
(iii)由(i)(ii)可得,对任意,成立.
∴.
(Ⅱ)易求得,,,于是,,,,
∴,,,,
∵,所以.
∴ .
∵,有,
∴ ,
∴.
又 ,
而 ,
∴.
综上,当时,.
例8. 已知是定义在上的不恒为零的函数,且对于任意的,满足.
29
(1)求数列的通项公式;
(2)若存在正整数,使得成立,求实数的取值范围.
【答案】(1);(2)或.
【解析】分析:(1)
整理,得,即,从而;
(2)设
当,,显然不存在正整数,使得,舍去;
当,对称轴为,此时;
当,开口向下,对称轴为,此时只需或,即
综上,或.
点睛:本题主要考查数列的递推关系求通项、二次函数的性质、分类讨论思想的应用.属于难题.分类讨论思想解决高中数学问题的一种重要思想方法,是中学数学四种重要的数学思想之一,尤其在解决含参数问题发挥着奇特功效,大大提高了解题能力与速度.运用这种方法的关键是将题设条件研究透,这样才能快速找准突破点. 充分利用分类讨论思想方法能够使问题条理清晰,进而顺利解答,希望同学们能够熟练掌握并应用与解题当中.
例9.【2019届江苏省南京市三模】若数列满足:对于任意均为数列
29
中的项,则称数列为“ 数列”.
(1)若数列的前项和,求证:数列为“ 数列”;
(2)若公差为的等差数列为“ 数列”,求的取值范围;
(3)若数列为“ 数列”,,且对于任意,均有,求数列的通项公式.
【答案】(1)证明见解析;(2);(3).
【解析】分析:(1)先利用项和公式计算出an=4n-2,再利用“ 数列”证明.(2)利用“ 数列”的性质求的取值范围.(3)先证明数列{an}为等差数列,再转化an<a-a<an+1,再转化为n(2t2-t)>t2-3t+1,n(t-2t2)>2t-t2-1,分析得到公差t=,求出数列的通项公式.
详解:(1)当n≥2时,an=Sn-Sn-1=2n2-2(n-1)2=4n-2,
又a1=S1=2=4×1-2,所以an=4n-2.
所以an+|an+1-an+2|=4n-2+4=4(n+1)-2为数列{an}的第n+1项,
因此数列{an}为“T 数列”.
(2)因为数列{an}是公差为d的等差数列,
所以an+|an+1-an+2|=a1+(n-1) d+|d|.
因为数列{an}为“T 数列”,
所以任意n∈N*,存在m∈N*,使得a1+(n-1) d+|d|=am,即有(m-n) d=|d|.
①若d≥0,则存在m=n+1∈N*,使得(m-n) d=|d|,
②若d<0,则m=n-1.
由an<a-a<an+1,得1+(n-1)t<t[2+(2n-1)t]<1+nt,
29
整理得n(2t2-t)>t2-3t+1, ①
n(t-2t2)>2t-t2-1. ②
若2t2-t<0,取正整数N0>,
则当n>N0时,n(2t2-t)<(2t2-t) N0<t2-3t+1,与①式对于任意n∈N*恒成立相矛盾,
因此2t2-t≥0.
同样根据②式可得t-2t2≥0,
所以2t2-t=0.又t>0,所以t=.
经检验当t=时,①②两式对于任意n∈N*恒成立,
所以数列{an}的通项公式为an=1+ (n-1)=.
点睛:(1)本题主要考查等差数列,考查新定义“T数列”,考查学生理解新定义及利用新定义解题的能力,考查学生分析推理能力. (2)本题的难点在第(3)问,得到n(2t2-t)>t2-3t+1, ① ,n(t-2t2)>2t-t2-1, ② 后如何得到公差t的值,这里作为恒成立问题来探究t的值.
例10.【2019届北京市海淀区二模】如果数列满足“对任意正整数,都存在正整数,使得 ”,则称数列具有“性质”.已知数列是无穷项的等差数列,公差为
(Ⅰ)若,公差,判断数列是否具有“性质”,并说明理由;
(Ⅱ)若数列具有“性质”,求证:且;
(Ⅲ)若数列具有“性质”,且存在正整数,使得,这样的数列共有多少个?并说明理由.
【答案】(Ⅰ)不具有性质;(Ⅱ)证明见解析;(Ⅲ).
【解析】分析:(Ⅰ)利用举反例的方法证明数列不具有“性质”. (Ⅱ)利用反证法证明 且. (Ⅲ)先通过分析得到,.再分类讨论得
29
①假设,,则对任意的,.
设,则,矛盾!
②假设,,则存在正整数,使得
设,,,…,, ,则,但数列中仅有项小于等于0,矛盾.
③假设,,则存在正整数,使得
设,,,…,, ,则,但数列中仅有项大于等于0,矛盾,
综上,,.
(Ⅲ)设公差为的等差数列具有“性质P”,且存在正整数,使得.
若,则为常数数列,此时恒成立,故对任意的正整数,
,
这与数列具有“性质P”矛盾,故.
29
由题意知,是数列中的项,故是数列中的项,设,则
,
即.
因为,,故是的约数.
所以,,.
当时,,得,故
,共2019种可能;
当时,,得,故
,共1010种可能;
29
当时,,得,故
,共1种可能;
当时,,得,故
,共1种可能;
当时,,得,故
,共1种可能.
综上,满足题意的数列共有(种).
经检验,这些数列均符合题意.
点睛:本题的难点是第(Ⅲ)问,难在先要通过分析转化得到数列的特征,,.这一点突破后,后面就迎刃而解了.本题主要考查学生的知识迁移转化能力,属于难题.
【精选精练】
1.一个机器人每一秒钟前进一步或后退一步,程序设计师设计的程序是让机器人以先前进3步,然后再后退2步的规律移动.如果将机器人放在数轴的原点,面向正的方向在数轴上移动(1步的距离为1个单位长度).令表示第秒时机器人所在位置的坐标,且记,则下列结论中错误的是( )
A. B.
C. D.
【答案】D
【解析】分析:由题意,按“前进步,然后再后退步”的步骤,发现机器人每秒为周期的移动方式,解出相应的数值,根据规律推导,即可得到结果.
详解:由题意可知,程序设计师设计的程序是让机器人以先前进步,然后再后退步的规律移动,所以机器人的移动方式具有以秒为周期的移动方式,且每秒前进个单位,
29
点睛:本题主要考查了数列的实际应用问题,其中解答中得到机器人的移动方式具有以秒为周期,且每秒前进个单位的移动规律是解答的关键,同时注意数轴上点的移动规律“左减右加”,着重考查了分析问题和解答问题的能力,以及推理与运算能力.
2.【2019届山东省日照市高三4月校际联考】定义为个正数,,…,的“均倒数”.若已知数列的前项的“均倒数”为,又,则( )
A. B. C. D.
【答案】A
【解析】分析:由题意结合新定义的概念求得数列的前n项和,然后利用前n项和求解通项公式,最后裂项求和即可求得最终结果.
详解:设数列的前n项和为,由题意可得:,则:,
据此有:
29
本题选择A选项.
3.如图所示,将平面直角坐标系中的格点(横、纵坐标均为整数的点)按如下规则标上标签:
原点处标数字0,记, ;点处标数字1,记为;点处标数字0,记为;点处标数字,记为;点处标数字;记为;点处标数字,记为;点处标数字0,,记为;点处标数字1,记为; 以此类推,格点坐标为的点处所标的数字为(均为整数),记,则( )
A. B. 0 C. D.
【答案】D
【解析】分析:首先根据题意,找出对应的点的关系,将点阵看做若干个正方形点阵来处理,并且根据点的坐标以及对项的规定,从而求得各层的正方形点阵的各项和为零,下一步需要确定的就是各层点阵的个数,以便于分析第2019个点的位置,建立关于n的合适的不等关系式,再者需要确定的是将比较多的值的
29
,所以,
再者可以确定这六个点的坐标分别是,
故可以得到,
从而可以求得这六项和为,所以答案是,故选D.
点睛:该题所考查的是数列的综合应用,一是将点阵看做正方形阵,找出每层的点的个数,再判断每层的点对应的项的和的值为零食解决该题的突破口,最后需要关注的就是将正方形阵补齐,将对应项的和转化为比较少项数的和的问题,并且最后一项对应的点的位置还比较好找,从而将难度降低.
4.定义:若( 为常数),则称为“比等差数列”.已知在“比等差数列”中, ,则的末位数字是( )
A. 0 B. 2 C. 4 D. 6
【答案】B
【解析】分析:本题考查的是数列的新定义问题.在解答时,首先应根据新定义获得数列{}为等差数列,进而求的通项公式,结合通项公式的特点即可获得问题的解答.
详解:由题意可知: , , .
∴数列{}为以1为首项以1为公差的等差数列.
∴.n∈N*
29
∴.
所以的末位数字是2.
故选:B.
5.对于大于1的自然数的三次幂可用奇数进行以下方式的“分裂”: ,依此,若的“分裂数”中有一个是2015,则__________.
【答案】45
点睛:该题考查的是有关数列的综合问题,需要从条件中提炼有关等差数列的求和问题,还需要明白,2015是第1008个奇数,在求解的过程中,要学会估值,不要一味的去解不等式,那样就会加大难度.
6.在一个数列中,如果对任意的,都有(为常数),那么这个数列叫做等积数列,叫做这个数列的公积.已知数列是等积数列,且,公积为8,则__.
【答案】28.
【解析】分析:先根据数列是等积为8的等积数列可求得数列的项,由此可得数列为周期数列,然后根据周期性求得.
详解:由题意得,数列是等积为8的等积数列,且,
∴,即,
∴.
同理可得,……
29
∴数列是周期为3的数列,
∴.
点睛:由于数列是一种特殊的函数,故数列具有函数的性质.数列的周期性往往要在求得数列的一些特殊项后通过观察才能得到,利用周期性可简化数列求和中的计算,使得求解变得简单.
7.【2019届四川省攀枝花市第三次(4月)统考】记若是等差数列,则称为数列的“等差均值”;若是等比数列,则称为数列的“等比均值”.已知数列的“等差均值”为2,数列的“等比均值”为3.记数列的前项和为若对任意的正整数都有,则实数的取值范围是__________.
【答案】
所以
两式相减得
又由题得
所以
所以
两式相减得
所以
29
因为对任意的正整数都有,
所以
解之得.
故填.
点睛:解答定义题,首先要理解原题的定义,每一个关键词都要理解清楚,再解答. 如果定义含糊,解题当然会有问题.本题实际上是一个数列的通项问题和恒成立问题.
8.【2019届上海市徐汇区二模】已知数列的前项和满足,且,数列满足,,其前9项和为36.
(1)求数列和的通项公式;
(2)当为奇数时,将放在的前面一项的位置上;当为偶数时,将放在前面一项的位置上,可以得到一个新的数列:,求该数列的前项和;
(3)设,对于任意给定的正整数,是否存在正整数,使得成等差数列?若存在,求出(用表示);若不存在,请说明理由.
【答案】(1),(2)(3)当时,存在正整数,满足,且使得成等差数列.
【解析】试题分析:(1)由题意,易知数列为等差数列,求出,再由通项公式与前和关系,从而求出数列的通项公式;由条件,易知数列为等差数列,再由等差数列的通项公式,从而求出数列的通项公式;
(2)由(1)可得与,根据题意,可对进行分类,求得该数列前项和与参数的表达式,从而问题可得解.
29
(3)由(1)易得数列的通项公式,由等差数列的中项公式及数列通项公式的性质,从而得到其下标的关系式,针对所得式子进行化简整理,并对其进行分类讨论,从而问题可得解,详见解析.
所以.
(2)数列的前n项和,数列的前项和.
当时,;
当时,
;-
当时,
;-
所以,其中.--
(3)由(1)可知,.
若对于任意给定的正整数,存在正整数,使得成等差数列,则,即,--
于是,
29
所以
,即,--
则对任意的,能整除,且.
综上,当时,存在正整数,满足,且使得成等差数列.
9.【2019届浙江省杭州市第二次检测】已知数列满足
(Ⅰ)证明:;
(Ⅱ)若对于任意,当时,;x..kw
(Ⅲ)
【答案】见解析.
【解析】试题分析:用数学归纳法证明当时,,当时,成立,再证时,成立
当时,,,累加得结果
29
若,当时,得到,推得当时,成立,当时,矛盾,求得结果
解析:(Ⅰ)因为,所以 ,
(Ⅱ)(ⅰ)当时,,
所以 ,
所以 ,累加得 ,
所以 .
(ⅱ)若,当时,
,所以.
29
所以当时,.
所以当时,,矛盾.
所以 .
因为 ,
所以
10.已知数列、,其中, ,数列满足,,数列满足.
(1)求数列,的通项公式;
(2)是否存在自然数,使得对于任意有恒成立?若存在,求出的最小值;
(3)若数列满足,求数列的前项和.
【答案】(1) .
(2) 的最小值为16.
(3) .
【解析】试题分析:第一问将式子变形,得到两项的比值,之后用累乘法求得通项公式,一定需要注意对进行验证;第二问转化成最值来处理,第三问需要对为奇数和为偶数两种情况进行讨论求得结果.
(1)由,即,.
29
(2) 由(1)知,则
.……………………7分
假设存在自然数,使得对于任意有恒成立,即恒成立,由,解得. ……………………9分
所以存在自然数,使得对于任意有恒成立,此时, 的最小值为16. ……………………………………10分
(3)当为奇数时,
;………………13分
当为偶数时,
29
. ………………15分
因此
………………16分
11.【2019届浙江省嘉兴市4月模拟】已知数列满足, .
(Ⅰ)判断数列的单调性;
(Ⅱ)证明: ;
(Ⅲ)证明证明:.
【答案】(Ⅰ)单调递增;(Ⅱ)证明见解析;(Ⅲ)证明见解析.
简即可得结果.
试题解析:(1)因为.当时,.
假设时,,所以时,.
从而对于一切,.
所以,即数列单调递增 .
29
(2)证明:因为,所以.
又因为由(1)可知,所以时.
,
即 .
(3)证明:由(2)得 .
所以 .
经验证也成立,即得证.
12.【2019届上海市虹口区二模】平面内的“向量列”,如果对于任意的正整数,均有,则称此“向量列”为“等差向量列”,称为“公差向量”.平面内的“向量列”,如果且对于任意的正整数,均有(),则称此“向量列”为“等比向量列”,常数称为“公比”.
(1)如果“向量列”是“等差向量列”,用和“公差向量”表示;
(2)已知是“等差向量列”,“公差向量”,,;是“等比向量列”,“公比”,,.求.
【答案】(1);(2).
29
试题解析:
(1)设,.
由,得,所以数列是以为首项,公差为的等差数列;数列是以首项,公差为的等差数列.
.
(2)设 ,.
由,从而,.数列是以1为首项,公差为3的等差数列,从而.数列是常数列,.
由得,,又,,数列是以1为首项,公比为2的等比数列;数列是以3为首项,公比为2的等比数列,从而有,.……10分
令………①
…………②.
①-②得,,得
令
从而
29
点睛:本题考查数列的综合应用.本题设计了向量的背景,定义出“等差向量列”和“等比向量列”,学生在接触新题型的时候,要充分联系等差数列和等比数列,再结合向量的坐标法进行思考,即可得到解题思路.
29