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- 2021-06-11 发布
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专题三 数列
第1讲 等差数列与等比数列
「考情研析」 1.从具体内容上,主要考查等差数列、等比数列的基本计算和基本性质及等差、等比数列中项的性质、判定与证明. 2.从高考特点上,难度以中、低档题为主,近几年高考题一般设置一道选择题和一道解答题,分值分别为5分和12分.
核心知识回顾
1.等差数列
(1)通项公式:an=a1+(n-1)d=am+(n-m)d.
(2)等差中项公式:2an=an-1+an+1(n∈N*,n≥2).
(3)前n项和公式:Sn==na1+.
2.等比数列
(1)等比数列的通项公式:an=a1qn-1=amqn-m.
(2)等比中项公式:a=an-1·an+1(n∈N*,n≥2).
(3)等比数列的前n项和公式:
Sn=.
3.等差数列的性质(n,m,l,k,p均为正整数)
(1)若m+n=l+k,则am+an=al+ak(反之不一定成立);特别地,当m+n=2p时,有am+an=2ap.
(2)若{an},{bn}是等差数列,则{kan+tbn}(k,t是非零常数)是等差数列.
(3)等差数列“依次每m项的和”即Sm,S2m-Sm,S3m-S2m,…仍是等差数列.
(4)等差数列{an},当项数为2n时,S偶-S奇=nd,=,项数为2n-1时,S奇-S偶=a中=an,S2n-1=(2n-1)an且=.(其中S偶表示所有的偶数项之和,S奇表示所有的奇数项之和)
4.等比数列的性质(n,m,l,k,p均为正整数)
(1)若m+n=l+k,则am·an=al·ak(反之不一定成立);特别地,当m+n=2p时,有am·an=a.
(2)当n为偶数时,=q(公比).(其中S偶表示所有的偶数项之和,S奇表示所有的奇数项之和)
(3)等比数列“依次m项的和”,即Sm,S2m-Sm,S3m-S2m,…(Sm≠0)成等比数列.
热点考向探究
考向1 等差数列、等比数列的运算
例1 (1)(2019·陕西榆林高考第三次模拟)在等差数列{an}中,其前n项和为Sn,且满足若a3+S5=12,a4+S7=24,则a5+S9=( )
A.24 B.32
C.40 D.72
答案 C
解析 ∵a3+S5=6a3=12,a4+S7=8a4=24,∴a3=2,a4=3,∴a5=4,∴a5+S9=10a5=40.故选C.
(2)在等差数列{an}中,已知a4=5,a3是a2和a6的等比中项,则数列{an}的前5项的和为( )
A.15 B.20
C.25 D.15或25
答案 D
解析 设公差为d,∵a3为a2,a6的等比中项,∴a=a2·a6,即(a4-d)2=(a4-2d)(a4+2d),∴5d(d-2)=0,∴d=0或d=2.∴5-d=5或3,即a3=5或3,∴S5=5a3=25或15.故选D.
(3)已知正项数列{an}满足a-6a=an+1an,若a1=2,则数列{an}的前n项和为________.
答案 3n-1
解析 ∵a-6a=an+1an,∴(an+1-3an)(an+1+2an)=0,∵an>0,∴an+1=3an,∴{an}为等比数列,且首项为2,公比为3,∴Sn=3n-1.
利用等差数列、等比数列的通项公式、前n
项和公式,能够在已知三个元素的前提下求解另外两个元素,其中等差数列的首项和公差、等比数列的首项和公比为最基本的量,解题中首先要注意求解最基本的量.
1.在各项为正数的等比数列{an}中,S2=9,S3=21,则a5+a6=( )
A.144 B.121
C.169 D.148
答案 A
解析 由题意可知,
即解得或(舍去).∴a5+a6=a1q4(1+q)=144.故选A.
2.(2019·辽宁沈阳郊联体高三一模)我国南北朝时的数学著作《张邱建算经》有一道题为:“今有十等人,每等一人,宫赐金以等次差降之,上三人先入,得金四斤,持出,下三人后入得金三斤,持出,中间四人未到者,亦依次更给,问各得金几何?”则在该问题中,五等人与六等人所得黄金数之和为( )
A. B.
C. D.
答案 C
解析 设an为第n等人的得金数,则{an}为等差数列,由题设可知a1+a2+a3=4,a8+a9+a10=3,故a2=,a9=1,而a5+a6=a2+a9=.故选C.
3.(2019·安徽太和第一中学高一调研)定义:在数列{an}中,若满足-=d(n∈N*,d为常数),称{an}为“等差比数列”.已知在“等差比数列”{an}中,a1=a2=1,a3=3,则=( )
A.4×20202-1 B.4×20192-1
C.4×20222-1 D.4×20192
答案 A
解析 ∵a1=a2=1,a3=3,∴-=2,∴是以1为首项,2为公差的等差数列,∴=2n-1,
∴=·=(2×2021-1)×(2×2020-1)=4×20202-1.故选A.
考向2 等差数列、等比数列的判定与证明
例2 已知数列{an}中,a1=1,其前n项的和为Sn,且满足an=(n≥2,n∈N*).
(1)求证:数列是等差数列;
(2)证明:S1+S2+S3+…+Sn<.
证明 (1)当n≥2时,Sn-Sn-1=,Sn-1-Sn=2Sn·Sn-1,-=2,所以数列是以1为首项,2为公差的等差数列.
(2)由(1)可知,=+(n-1)·2=2n-1,
所以Sn=.
S1+S2+S3+…+Sn
=+++…+
=×
=×<.
(1)判断或者证明数列为等差数列、等比数列最基本的方法是用定义判断或证明,其他方法最后都会回到定义,如证明等差数列可以证明通项公式是n的一次函数,但最后还得使用定义才能说明其为等差数列.
(2)证明数列{an}为等比数列时,不能仅仅证明an+1=qan,还要说明a1≠0,才能递推得出数列中的各项均不为零,最后断定数列{an}为等比数列.
(3)证明等差、等比数列,还可利用等差、等比数列的中项公式.
(2019·江西八所重点中学4月联考)设数列{an}满足a1=1,an+1=(n∈N*).
(1)求证:数列是等差数列;
(2)设bn=,求数列{bn}的前n项和Tn.
解 (1)证明:∵an+1=,∴-=-=-==-为常数,又a1=1,
∴=-1,∴数列是以-1为首项,-为公差的等差数列.
(2)由(1)知,=-1+(n-1)=-,
∴an=2-=,
∴bn===
=1+=1+,
∴Tn=b1+b2+b3+…+bn=n+=n+=n+,
所以数列{bn}的前n项和Tn=n+.
考向3 数列中an与Sn的关系问题
例3 设Sn是数列{an}的前n项和,已知a1=3,an+1=2Sn+3(n∈N*).
(1)求数列{an}的通项公式;
(2)令bn=(2n-1)an,求数列{bn}的前n项和Tn.
解 (1)当n≥2时,由an+1=2Sn+3,得an=2Sn-1+3,
两式相减,得an+1-an=2Sn-2Sn-1=2an,
∴an+1=3an,∴=3.
当n=1时,a1=3,a2=2S1+3=2a1+3=9,则=3.
∴数列{an}是以3为首项,3为公比的等比数列.
∴an=3×3n-1=3n.
(2)由(1),得bn=(2n-1)an=(2n-1)×3n.
∴Tn=1×3+3×32+5×33+…+(2n-1)×3n,①
3Tn=1×32+3×33+5×34+…+(2n-1)×3n+1,②
①-②,得
-2Tn=1×3+2×32+2×33+…+2×3n-(2n-1)×3n+1
=3+2×(32+33+…+3n)-(2n-1)×3n+1
=3+2×-(2n-1)×3n+1
=-6-(2n-2)×3n+1.
∴Tn=(n-1)×3n+1+3.
由an与Sn的关系求通项公式的注意点
(1)应重视分类讨论思想的应用,分n=1和n≥2两种情况讨论,特别注意an=Sn-Sn-1成立的前提是n≥2.
(2)由Sn-Sn-1=an推得an,当n=1时,a1也适合,则需统一表示(“合写”).
(3)由Sn-Sn-1=an推得an,当n=1时,a1不适合,则数列的通项公式应分段表示(“分写”),即an=
(2019·福建泉州5月质检)设数列{an}的前n项和为Sn,已知S1=2,an+1=Sn+2.
(1)证明:{an}为等比数列;
(2)记bn=log2an,数列的前n项和为Tn,若Tn≥10恒成立,求λ的取值范围.
解 (1)证明:由已知,得a1=S1=2,a2=S1+2=4,
当n≥2时,an=Sn-1+2,
所以an+1-an=(Sn+2)-(Sn-1+2)=an,所以an+1=2an(n≥2).
又a2=2a1,所以=2(n∈N*),
所以{an}是首项为2,公比为2的等比数列.
(2)由(1)可得an=2n,所以bn=n.
则==λ,
Tn=λ=λ,
因为Tn≥10,所以≥10,从而λ≥,
因为=10≤20,所以λ的取值范围为[20,+∞).
真题押题
『真题模拟』
1.(2019·湖南六校高三联考)已知公差d≠0的等差数列{an}满足a1=1,且a2,a4-2,a6成等比数列,若正整数m,n满足m-n=10,则am-an=( )
A.10 B.20
C.30 D.5或40
答案 C
解析 由题意,知(a4-2)2=a2a6,因为{an}为等差数列,所以(3d-1)2=(1+d)(1+5d),因为d≠0,解得d=3,从而am-an=(m-n)d=30.故选C.
2.(2019·全国卷Ⅲ)已知各项均为正数的等比数列{an}的前4项和为15,且a5=3a3+4a1,则a3=( )
A.16 B.8
C.4 D.2
答案 C
解析 由题意知
解得∴a3=a1q2=4.故选C.
3.(2019·安徽宣城高三第二次调研)我国明代珠算家程大位的名著《直指算法统宗》中有如下问题:“今有白米一百八十石,令三人从上及和减率分之,只云甲多丙米三十六石,问:各该若干?”其意思为:“今有白米一百八十石,甲、乙、丙三人来分,他们分得的白米数构成等差数列,只知道甲比丙多分三十六石,那么三人各分得多少白米?”请问:乙应该分得________白米( )
A.96石 B.78石
C.60石 D.42石
答案 C
解析 今有白米一百八十石,甲、乙、丙三个人来分,他们分得的米数构成等差数列,只知道甲比丙多分三十六石.设此等差数列为{an},公差为d,其前n项和为Sn,∴d===-18,S3=3a1+×(-18)=180,解得a1=78.∴a2=a1+d=78-18=60.∴乙应该分得60石.故选C.
4.(2019·全国卷Ⅰ)记Sn为等差数列{an}的前n项和.已知S4=0,a5=5,则( )
A.an=2n-5 B.an=3n-10
C.Sn=2n2-8n D.Sn=n2-2n
答案 A
解析 设等差数列{an}的首项为a1,公差为d.由S4=0,a5=5可得解得所以an=-3+2(n-1)=2n-5,Sn=n×(-3)+×2=n2-4n.故选A.
5.(2019·新疆高三第一次诊断)已知数列{an}为等差数列,a3=3,a1+a2+…+a6=21,数列的前n项和为Sn,若对一切n∈N*,恒有S2n-Sn>,则m能取到的最大正整数是________.
答案 7
解析 设数列{an}的公差为d,由题意得,
解得
∴an=n,且=,∴Sn=1+++…+,
令Tn=S2n-Sn=++…+,
则Tn+1=++…+,
即Tn+1-Tn=+->+-=0,
∴Tn+1>Tn,则Tn随着n的增大而增大,
即Tn在n=1处取最小值,∴T1=S2-S1=,
∵对一切n∈N*,恒有S2n-Sn>成立,
∴>即可,解得m<8,
故m能取到的最大正整数是7.
『金版押题』
6.设Sn是数列{an}的前n项和,且a1=-1,an+1=Sn+1Sn,则数列{Sn}的通项公式为________.
答案 -
解析 由已知得an+1=Sn+1-Sn=Sn+1Sn,
所以-=-,所以是以-1为首项,-为公差的等差数列.所以=-1-(n-1)=-n-.故Sn=-.
7.给出一个直角三角形数阵(如下),满足每一列的数成等差数列,从第三行起,每一行的数成等比数列,且每一行的公比相等,记第i行第j列的数为aij(i≥j,i,j∈N*),则an4=________.
,
,,
…
答案
解析 因为每一列的数成等差数列,且第一列公差为-=,所以ai1=+(i-1)=,因为从第三行起,每一行的数成等比数列,且每一行的公比相等为=,所以aij=ai1j-1=j-1(i≥3),因此an4=4-1=.
8.已知正项等比数列{an}满足:a2a8=16a5,a3+a5=20,若存在两项am,an使得 =32,则+的最小值为________.
答案
解析 因为数列{an}是正项等比数列,a2a8=16a5,a3+a5=20,
所以a2a8=a=16a5,a5=16,a3=4.由a5=a3q2,得q=2(q=-2舍去),由a5=a1q4,得a1=1,所以an=a1qn-1=2n-1,
因为=32,所以2m-12n-1=210,m+n=12,+=(m+n)=≥=(m>0,n>0),当且仅当n=2m时“=”成立,
所以+的最小值为.
配套作业
一、选择题
1.(2019·山东德州高三下学期联考)在等比数列{an}中,a1=1,=8,则a6的值为( )
A.4 B.8
C.16 D.32
答案 D
解析 设等比数列{an}的公比为q,∵a1=1,=8,∴=8,解得q=2,则a6=25=32.故选D.
2.已知等比数列{an}满足a1a2=1,a5a6=4,则a3a4=( )
A.2 B.±2
C. D.±
答案 A
解析 ∵a1a2,a3a4,a5a6成等比数列,即(a3a4)2=(a1a2)(a5a6),∴(a3a4)2=4,a3a4与a1a2符号相同,故a3a4=2,故选A.
3.(2019·安徽蚌埠高三下学期第二次检测)等差数列{an}的公差为d,若a1+1,a2+1,a4+1成以d为公比的等比数列,则d=( )
A.2 B.3
C.4 D.5
答案 A
解析 将a1+1,a2+1,a4+1转化为a1,d的形式为a1+1,a1+1+d,a1+1+3d,由于这三个数成以d为公比的等比数列,故==d
,化简得a1+1=d,代入=d,得=2=d,故选A.
4.设等差数列{an}的前n项和为Sn,若S3=9,S6=36,则a7+a8+a9=( )
A.63 B.45
C.36 D.27
答案 B
解析 解法一:设等差数列{an}的公差为d,由S3=9,S6=36,得即解得所以a7+a8+a9=3a8=3(a1+7d)=3×(1+7×2)=45.
解法二:由等差数列的性质,知S3,S6-S3,S9-S6成等差数列,即9,27,S9-S6成等差数列,所以S9-S6=45,即a7+a8+a9=45.
5.已知Sn为等比数列{an}的前n项和,若S3,S9,S6成等差数列,则( )
A.S6=-2S3 B.S6=-S3
C.S6=S3 D.S6=2S3
答案 C
解析 设等比数列{an}的公比为q,则S6=(1+q3)S3,S9=(1+q3+q6)S3,因为S3,S9,S6成等差数列,所以2(1+q3+q6)S3=S3+(1+q3)S3,解得q3=-,故S6=S3.
6.(2019·陕西西安高三第一次质检)已知函数y=f(x+1)的图象关于y轴对称,且函数f(x)在(1,+∞)上单调,若数列{an}是公差不为0的等差数列,且f(a4)=f(a18),则{an}的前21项之和为( )
A.0 B.
C.21 D.42
答案 C
解析 函数y=f(x+1)的图象关于y轴对称,平移可得y=f(x)的图象关于x=1对称,且函数f(x)在(1,+∞)上单调,由数列{an}是公差不为0的等差数列,且f(a4)=f(a18),可得a4+a18=2,所以a1+a21=a4+a18=2,可得数列{an}的前21项和S21==21.故选C.
二、填空题
7.已知数列{an}的前n项和为Sn,a1=1,2Sn=an+1,则Sn=________.
答案 3n-1
解析 由2Sn=an+1得2Sn=an+1=Sn+1-Sn,所以3Sn=Sn+1,即=3,所以数列{Sn}是以S1=a1=1为首项,q=3为公比的等比数列,所以Sn=3n-1.
8.设等比数列{an}满足a1+a2=-1,a1-a3=-3,则a4=________.
答案 -8
解析 设等比数列{an}的公比为q,
∵a1+a2=-1,a1-a3=-3,
∴a1(1+q)=-1, ①
a1(1-q2)=-3. ②
∵a1+a2=-1≠0,∴q≠-1,即1+q≠0.②÷①,得1-q=3,∴q=-2.∴a1=1,∴a4=a1q3=1×(-2)3=-8.
9.(2019·山西太原第五中学高三阶段检测)各项均为正数的数列{an}和{bn}满足:an,bn,an+1成等差数列,bn,an+1,bn+1成等比数列,且a1=1,a2=3,则数列{an}的通项公式为________.
答案 an=
解析 由题设可得an+1=,an=,得2bn=an+an+1⇒2bn=+,即2=+,又a1=1,a2=3⇒2b1=4⇒b1=2,则{}是首项为的等差数列.由已知得b2==,则数列{}的公差d=-=-=,所以=+(n-1)=,即=.当n=1时,=,当n≥2时,=,则an==,a1=1符合上式,所以数列{an}的通项公式为an=.
10.已知数列{an}满足a1+a2+…+an=3n+1,则an=________,a1+a2+a3+…+an=________.
答案
解析 由题意可得,当n=1时,a1=4,解得a1=12.当n≥2时,a1+a2+…+an-1=3n-2,所以an=3,n≥2,即an=3n+1,n≥2,又当n=1时,an=3n+1不成立,所以an=当n≥2时,a1+a2+…+an=12+=.
三、解答题
11.(2019·广东茂名五大联盟学校高三3月联考)设数列{an}的前n项和为Sn,且满足an-Sn-1=0(n∈N*).
(1)求数列{an}的通项公式;
(2)是否存在实数λ,使得数列{Sn+(n+2n)λ}为等差数列?若存在,求出λ的值;若不存在,请说明理由.
解 (1)由an-Sn-1=0(n∈N*),可知当n=1时,
a1-a1-1=0,即a1=2.又由an-Sn-1=0(n∈N*).
可得an+1-Sn+1-1=0,
两式相减,得-=0,
即an+1-an=0,即an+1=2an.
所以数列{an}是以2为首项,2为公比的等比数列,
故an=2n(n∈N*).
(2)由(1)知,Sn==2(2n-1),
所以Sn+(n+2n)λ=2(2n-1)+(n+2n)λ
若数列{Sn+(n+2n)λ}为等差数列,
则S1+(1+2)λ,S2+(2+22)λ,S3+(3+23)λ成等差数列,
即有2[S2+(2+22)λ]=[S1+(1+2)λ]+[S3+(3+23)λ],
即2(6+6λ)=(2+3λ)+(14+11λ),解得λ=-2.
经检验λ=-2时,{Sn+(n+2n)λ}成等差数列,故λ的值为-2.
12.(2019·江西上饶市高三二模)已知首项为1的等比数列{an}满足a2+a4=3(a1+a3),等差数列{bn}满足b1=a2,b4=a3,数列{bn}的前n项和为Sn.
(1)求数列{an},{bn}的通项公式;
(2)若数列{cn}满足+++…+=Sn,求{cn}的前n项和Tn.
解 (1)设{an}的通项公式为an=a1qn-1,
∴a1q+a1q3=3(a1+a1q2),∴q=3.∵a1=1,∴an=3n-1,
∴a2=3,a3=9,∴b1=3,b4=9.
设{bn}的公差为d,∴d==2,∴bn=2n+1.
(2)∵bn=2n+1,∴Sn==n2+2n,
当n=1,=3,c1=3,
当n≥2,++…+=n2+2n,
++…+=(n-1)2+2(n-1),
两式相减,得=2n+1,∴cn=(2n+1)·3n-1,经检验,n=1时上式也成立.
综上,cn=(2n+1)·3n-1,n∈N*.
Tn=3×30+5×31+…+(2n+1)·3n-1,
∴3Tn=3×31+5×32+…+(2n+1)·3n,
两式相减-2Tn=3-(2n+1)·3n+2×31+2×32+…+2×3n-1=3-(2n+1)·3n+=-2n·3n.
∴Tn=n·3n.
13.已知数列{an}的各项均为正数,记数列{an}的前n项和为Sn,数列{a}的前n项和为Tn,且3Tn=S+2Sn,n∈N*.
(1)求a1的值;
(2)求数列{an}的通项公式.
解 (1)由3T1=S+2S1,得3a=a+2a1,即a-a1=0.
因为a1>0,所以a1=1.
(2)因为3Tn=S+2Sn, ①
所以3Tn+1=S+2Sn+1, ②
②-①,得3a=S-S+2an+1,即3a=(Sn+an+1)2-S+2an+1.因为an+1>0,
所以an+1=Sn+1, ③
所以an+2=Sn+1+1, ④
④-③,得an+2-an+1=an+1,即an+2=2an+1,所以当n≥2时,=2.
又由3T2=S+2S2,得3(1+a)=(1+a2)2+2(1+a2),
即a-2a2=0.
因为a2>0,所以a2=2,所以=2,所以对任意的n∈N*,都有=2成立,所以数列{an}的通项公式为an=2n-1,n∈N*.
14.(2019·河北省中原名校联盟高三联考)已知正项等比数列{an}中,a1=,且a2,a3,a4-1成等差数列.
(1)求数列{an}的通项公式;
(2)若bn=2log2an+4,求数列的前n项和Tn.
解 (1)设等比数列{an}的公比为q.因为a2,a3,a4-1成等差数列.所以2a3=a2+a4-1,得2a1q2=a1q+a1q3-1.
又a1=,则2×q2=q+q3-1,即q2=q+q3-1.
所以2q2=q+q3-2,所以2q2+2=q+q3,
所以2(q2+1)=q(q2+1).所以(q2+1)(2-q)=0.
显然q2+1≠0,所以2-q=0,解得q=2.
故数列{an}的通项公式an=a1·qn-1=·2n-1=2n-2.
(2)由(1)知,bn=2log22n-2+4=2(n-2)+4=2n.
所以==.
则Tn===.