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第1講 等差數(shù)列與等比數(shù)列
[考情考向分析] 1.數(shù)列的概念是A級要求,了解數(shù)列、數(shù)列的項、通項公式、前n項和等概念,一般不會單獨考查.2.等差數(shù)列、等比數(shù)列主要考查等差、等比數(shù)列的通項公式、求和公式以及性質(zhì)的靈活運用,解答題會以等差數(shù)列、等比數(shù)列推理證明為主, 要求都是C級.
熱點一 等差數(shù)列、等比數(shù)列的運算
例1 (2018江蘇南京師大附中模擬)已知等差數(shù)列和等比數(shù)列均不是常數(shù)列,若a1=b1=1,且a1,2a2,4a4成等比數(shù)列,4b2,2b3,b4成等差數(shù)列.
(1)求和的通項公式;
(2)設m,n是正整數(shù),若存在正整數(shù)i,j,k(i
0,<1,即m>2,則有m+n>6;
所以m+n的最小值為6,
當且僅當j-i=1,k-i=2且或時取得.
思維升華 在進行等差(比)數(shù)列項與和的運算時,若條件和結論間的聯(lián)系不明顯,則均可化成關于a1和d(q)的方程組求解,但要注意消元法及整體計算,以減少計算量.
跟蹤演練1 (1)若Sn是公差不為0的等差數(shù)列{an}的前n項和,且S1,S2,S4成等比數(shù)列.則數(shù)列S1,S2,S4的公比為________.
答案 4
解析 設數(shù)列{an}的公差為d,
由題意,得S=S1S4,
∴(2a1+d)2=a1(4a1+6d).
∵d≠0,∴d=2a1.故公比q==4.
(2)在公差不為零的等差數(shù)列{an}中,a5=7,且三個數(shù)a1,a4,a3依次成等比數(shù)列.抽出數(shù)列{an}的第1,2,22,…,2n項重新構成新數(shù)列{bn},數(shù)列{bn}的前n項和Sn=________.
答案 2n+2-13n-4(n∈N*)
解析 設數(shù)列{an}的公差為d,由a1,a4,a3構造成的等比數(shù)列的公比為q.
d≠0,q===-.
∴a4=-a1,
又a4=a1+3d,∴a1+3d=-a1,
∴d=-a1.
∵a5=7,∴a1+4d=7,
∴a1=-9,d=4.∴an=4n-13(n∈N*).
由題意,數(shù)列{an}中的第2n項即為數(shù)列{bn}中的第n+1項.
∴bn=a2n-1=42n-1-13.
∴Sn=b1+b2+b3+…+bn
=4(1+2+22+…+2n-1)-13n
=4(2n-1)-13n.
∴Sn=2n+2-13n-4(n∈N*).
熱點二 等差數(shù)列、等比數(shù)列的證明
例2 (2018宿遷一模)已知數(shù)列,其前n項和為Sn,滿足a1=2,Sn=λnan+μan-1,其中n≥2,n∈N*,λ,μ∈R.
(1)若λ=0,μ=4,bn=an+1-2an,求證:數(shù)列是等比數(shù)列;
(2)若a2=3,且λ+μ=,求證:數(shù)列是等差數(shù)列.
證明 (1)若λ=0,μ=4,則Sn=4an-1(n≥2),
所以an+1=Sn+1-Sn=4(an-an-1),
即an+1-2an=2(an-2an-1),
所以bn=2bn-1, 又由a1=2,a1+a2=4a1,
得a2=3a1=6,a2-2a1=2≠0,即b1≠0,
所以=2,故數(shù)列是等比數(shù)列.
(2)若a2=3,由a1+a2=2λa2+μa1,得5=6λ+2μ,
又λ+μ=,解得λ=,μ=1.
由a1=2,a2=3, λ=,μ=1,代入S3=3λa3+μa2得,
a3=4,
所以a1,a2,a3成等差數(shù)列,
由Sn=an+an-1,得Sn+1=an+1+an,
兩式相減得an+1=an+1-an+an-an-1,
即(n-1)an+1-(n-2)an-2an-1=0,
所以nan+2-(n-1)an+1-2an=0,
相減得nan+2-2(n-1)an+1+(n-4)an+2an-1=0,
所以n(an+2-2an+1+an)+2(an+1-2an+an-1)=0,
所以(an+2-2an+1+an)=-(an+1-2an+an-1)=(an-2an-1+an-2)
=…=(a3-2a2+a1),
因為a1-2a2+a3=0,所以an+2-2an+1+an=0,
即數(shù)列是等差數(shù)列.
思維升華 數(shù)列{an}是等差數(shù)列或等比數(shù)列的證明方法
(1)證明數(shù)列{an}是等差數(shù)列的兩種基本方法
①利用定義,證明an+1-an(n∈N*)為一常數(shù).
②利用中項性質(zhì),即證明2an=an-1+an+1
(n≥2,n∈N*).
(2)證明數(shù)列{an}是等比數(shù)列的兩種基本方法
①利用定義,證明(n∈N*)為一常數(shù).
②利用等比中項,即證明a=an-1an+1(n≥2,n∈N*).
跟蹤演練2 已知n為正整數(shù),數(shù)列{an}滿足an>0,
4(n+1)a-na=0,設數(shù)列{bn}滿足bn=.
(1)求證:數(shù)列為等比數(shù)列;
(2)若數(shù)列{bn}是等差數(shù)列,求實數(shù)t的值.
(1)證明 由題意得,4(n+1)a=na,
因為數(shù)列{an}各項為正數(shù),得=4,
所以=2,因此=2,
所以是以a1為首項,2為公比的等比數(shù)列.
(2)解 由(1)得=a12n-1,an=a12n-1,
bn==.
如果數(shù)列{bn}是等差數(shù)列,則2b2=b1+b3,
得2=+,即=+,
則t2-16t+48=0,解得t=4或12.
當t=4時,bn=,
bn+1-bn=-=,
數(shù)列{bn}是等差數(shù)列,符合題意;
當t=12時,bn=,
b2+b4=+==a,
2b3=2=,
b2+b4≠2b3,數(shù)列{bn}不是等差數(shù)列,t=12不符合題意.
綜上,若數(shù)列{bn}是等差數(shù)列,則t=4.
熱點三 等差數(shù)列、等比數(shù)列的綜合
例3 在數(shù)列{an}中,已知a1=a2=1,an+an+2=λ+2an+1,n∈N*,λ為常數(shù).
(1)證明:a1,a4,a5成等差數(shù)列;
(2)設cn=,求數(shù)列{cn}的前n項和Sn;
(3)當λ≠0時,數(shù)列{an-1}中是否存在三項as+1-1,at+1-1,ap+1-1成等比數(shù)列,且s,t,p也成等比數(shù)列?若存在,求出s,t,p的值;若不存在,說明理由.
(1)證明 因為an+an+2=λ+2an+1,a1=a2=1,
所以a3=2a2-a1+λ=λ+1.
同理,a4=2a3-a2+λ=3λ+1,
a5=2a4-a3+λ=6λ+1.
又因為a4-a1=3λ,a5-a4=3λ,
所以a1,a4,a5成等差數(shù)列.
(2)解 由an+an+2=λ+2an+1,得
an+2-an+1=an+1-an+λ,
令bn=an+1-an,則bn+1-bn=λ,b1=a2-a1=0,
所以{bn}是以0為首項,λ為公差的等差數(shù)列,
所以bn=b1+(n-1)λ=(n-1)λ,
即an+1-an=(n-1)λ,
所以an+2-an=2(an+1-an)+λ=(2n-1)λ,
所以cn==2(2n-1)λ.
Sn=c1+c2+…+cn=2λ+23λ+25λ+…+2(2n-1)λ.
當λ=0時,Sn=n;
當λ≠0時,Sn=2λ+23λ+25λ+…+2(2n-1)λ=.
(3)解 由(2)知an+1-an=(n-1)λ,
用累加法可求得an=1+λ(n≥2),
當n=1時也適合,所以an=1+λ(n∈N*).
假設存在三項as+1-1,at+1-1,ap+1-1成等比數(shù)列,且s,t,p也成等比數(shù)列,
則(at+1-1)2=(as+1-1)(ap+1-1),
由λ≠0,得=.
因為s,t,p成等比數(shù)列,所以t2=sp,
所以(t-1)2=(s-1)(p-1),
化簡得s+p=2t,聯(lián)立t2=sp,
得s=t=p,這與題設矛盾.
故不存在三項as+1-1,at+1-1,ap+1-1成等比數(shù)列,且s,t,p也成等比數(shù)列.
思維升華 數(shù)列的綜合題,常將等差、等比數(shù)列結合在一起,形成兩者之間的相互聯(lián)系和相互轉化;有些數(shù)列題目條件已指明是等差(或等比)數(shù)列,有的數(shù)列并沒有指明,但可以通過分析構造,轉化為等差數(shù)列或等比數(shù)列,然后應用等差、等比數(shù)列的相關知識解決問題.
跟蹤演練3 已知數(shù)列{an}滿足2an+1=an+an+2+k(n∈N*,k∈R),且a1=2,a3+a5=-4.
(1)若k=0,求數(shù)列{an}的前n項和Sn;
(2)若a4=-1,求數(shù)列{an}的通項公式.
解 (1)當k=0時,2an+1=an+an+2,
即an+2-an+1=an+1-an,
所以數(shù)列{an}是等差數(shù)列.
設數(shù)列{an}的公差為d,則
解得
所以Sn=na1+d=2n+
=-n2+n(n∈N*).
(2)由題意得2a4=a3+a5+k,
即-2=-4+k,所以k=2.
由2a3=a2+a4+2及2a2=a1+a3+2,得a4=2a3-a2-2=2(2a2-a1-2)-a2-2=3a2-2a1-6,所以a2=3.
由2an+1=an+an+2+2,得
(an+2-an+1)-(an+1-an)=-2,
所以數(shù)列{an+1-an}是以a2-a1=1為首項,-2為公差的等差數(shù)列,所以an+1-an=-2n+3(n∈N*).
當n≥2時,有an-an-1=-2(n-1)+3,
于是an-1-an-2=-2(n-2)+3,
an-2-an-3=-2(n-3)+3,
…,
a3-a2=-22+3,
a2-a1=-21+3,
疊加得,an-a1=-2[1+2+…+(n-1)]+3(n-1)(n≥2),
所以an=-2+3(n-1)+2=-n2+4n-1(n≥2).
又當n=1時,a1=2也適合上式.
所以數(shù)列{an}的通項公式為an=-n2+4n-1,n∈N*.
1.(2017江蘇)等比數(shù)列{an}的各項均為實數(shù),其前n項和為Sn,已知S3=,S6=,則a8=________.
答案 32
解析 設數(shù)列{an}的首項為a1,公比為q(q≠1),
則解得
所以a8=a1q7=27=32.
2.(2018江蘇)已知集合A={x|x=2n-1,n∈N*},B={x|x=2n,n∈N*}.將A∪B的所有元素從小到大依次排列構成一個數(shù)列{an}.記Sn為數(shù)列{an}的前n項和,則使得Sn>12an+1成立的n的最小值為________.
答案 27
解析 經(jīng)過列舉計算可知
S26=+=503,
而a27=43.
12a27=516,不符合題意.
S27=+=546,
a28=45,12a28=540,符合題意.
∴使得Sn>12an+1成立的n的最小值為27.
3.已知各項不為0的等差數(shù)列{an}滿足a4-2a+3a8=0,數(shù)列{bn}是等比數(shù)列,且b7=a7,則b2b12=________________________________________________________________.
答案 4
解析 設等差數(shù)列{an}的公差為d,
因為a4-2a+3a8=0,
所以a7-3d-2a+3(a7+d)=0,
即a=2a7,解得a7=0(舍去)或a7=2,
所以b7=a7=2.
因為數(shù)列{bn}是等比數(shù)列,
所以b2b12=b=4.
4.已知數(shù)列{an}的前n項和為Sn,且滿足a1=,an=-2SnSn-1(n≥2),則S100=________.
答案
解析 ∵當n≥2時,an=Sn-Sn-1,
∴Sn-Sn-1=-2SnSn-1,
∴Sn(1+2Sn-1)=Sn-1,
顯然,若Sn-1≠0,則Sn≠0,
∵S1=a1=≠0,
∴由遞推關系式知Sn≠0(n∈N*),
∴-=-2,即-=2(n≥2),
故數(shù)列為等差數(shù)列,
∴=+(n-1)2=+2n-2=2n,
∴Sn=,∴S100=.
5.設數(shù)列{an}的前n項和為Sn,且滿足Sn=2-an,n=1,2,3,….
(1)求數(shù)列{an}的通項公式;
(2)若數(shù)列{bn}滿足b1=1,且bn+1=bn+an,求數(shù)列{bn}的通項公式;
(3)在(2)的前提條件下,設cn=n(3-bn),求數(shù)列{cn}的前n項和Tn.
解 (1)因為當n=1時,a1+S1=a1+a1=2,所以a1=1.
因為Sn=2-an,即an+Sn=2,
所以an+1+Sn+1=2.
兩式相減,得an+1-an+Sn+1-Sn=0,
即an+1-an+an+1=0,故有2an+1=an.
因為an≠0,所以=(n∈N*).
所以數(shù)列{an}是首項為1,公比為的等比數(shù)列,
所以數(shù)列{an}的通項公式為an=n-1(n∈N*).
(2)因為bn+1=bn+an(n=1,2,3,…),
所以bn+1-bn=n-1.
從而有b2-b1=1,b3-b2=,b4-b3=2,…,
bn-bn-1=n-2(n=2,3,…).
將這n-1個等式相加,得
bn-b1=1++2+…+n-2==2-2n-1.
又因為b1=1,所以bn=3-2n-1(n=1,2,3,…).
(3)因為cn=n(3-bn)=2nn-1,
所以Tn=2,①
Tn=2.②
①-②,得Tn=2-2nn,
故Tn=4-4nn=8--4nn
=8-(8+4n)(n=1,2,3,…).
A組 專題通關
1.(2018鎮(zhèn)江期末)設等比數(shù)列的前n項和為Sn,若a1=-2, S6=9S3,則a5的值為________.
答案?。?2
解析 設等比數(shù)列的公比為q,由題意知,q≠1,
∵a1=-2, S6=9S3,∴=,
化簡為1+q3=9,∴q=2,
∴a5=-224=-32.
2.設Sn是等差數(shù)列{an}(n∈N*)的前n項和,且a1=1,a4=7,則S5=________.
答案 25
解析 由a1=1,a4=7,可得d=2,
所以an=2n-1,所以S5==25.
3.(2018鹽城模擬)設Sn為等差數(shù)列的前n項和,若的前2 017項中的奇數(shù)項和為2 018,則S2 017的值為________.
答案 4 034
解析 因為的前2 017項中的奇數(shù)項和為2 018,
所以=2 018,所以a1+a2 017=4,
因此S2 017==4 034.
4.等差數(shù)列{an}前9項的和等于前4項的和.若a1=1,ak+a4=0,則k=________.
答案 10
解析 方法一 S9=S4,即=,
∴9a5=2(a1+a4),
即9(1+4d)=2(2+3d),∴d=-,
由1+(k-1)+1+3=0,得k=10.
方法二 S9=S4,∴a5+a6+a7+a8+a9=0,
∴a7=0,從而a4+a10=2a7=0,
∴k=10.
5.已知{an}為等差數(shù)列,其公差為-2,且a7是a3與a9的等比中項,Sn為{an}的前n項和,n∈N*,則S10的值為________.
答案 110
解析 ∵a=a3a9,d=-2,
∴(a1-12)2=(a1-4)(a1-16),解得a1=20,
∴S10=1020+(-2)=110.
6.(2018江蘇泰州中學月考)已知數(shù)列滿足: a1=1, an+1=( n∈N*),則數(shù)列的通項公式為________.
答案 an=(n∈N*)
解析 由an+1=得 =+1 ,變形得 +1=2,
所以是以2為公比的等比數(shù)列,
所以+1=22n-1=2n ,
所以an=(n∈N*).
7.設數(shù)列{an}滿足a1=1,(1-an+1)(1+an)=1(n∈N*),則kak+1的值為________.
答案
解析 因為(1-an+1)(1+an)=1,
所以an-an+1-anan+1=0,從而-=1,
即數(shù)列是以1為首項,1為公差的等差數(shù)列,
所以=1+n-1=n,所以an=.
故an+1an==-,
因此kak+1=++…+=1-=.
8.已知公差為d的等差數(shù)列{an}的前n項和為Sn,若=3,則的值為________.
答案
解析 設等差數(shù)列{an}的首項為a1,
則由=3,得=3,所以d=4a1,
所以===.
9.設{an}是等差數(shù)列,{bn}是各項都為正數(shù)的等比數(shù)列,且a1=b1=1,a3+b5=21,a5+b3=13.
(1)求{an},{bn}的通項公式;
(2)求數(shù)列的前n項和Sn.
解 (1)設{an}的公差為d,{bn}的公比為q,
則依題意有q>0且
解得d=2,q=2.
所以an=1+(n-1)d=2n-1,
bn=b1qn-1=2n-1,n∈N*.
(2)=.
Sn=1+++…++,①
2Sn=2+3++…++,②
②-①,得Sn=2+2+++…+-
=2+2-
=2+2-=6-(n∈N*).
10.已知數(shù)列{an}的前n項和為Sn,a1=,且Sn=Sn-1+an-1+(n∈N*,且n≥2),數(shù)列{bn}滿足:b1=-,且3bn-bn-1=n(n≥2,且n∈N*).
(1)求數(shù)列{an}的通項公式;
(2)求證:數(shù)列{bn-an}為等比數(shù)列.
(1)解 由Sn=Sn-1+an-1+,得
Sn-Sn-1=an-1+,
即an-an-1=(n∈N*,n≥2),
則數(shù)列{an}是以為公差的等差數(shù)列.
又a1=,∴an=a1+(n-1)d=n-.
(2)證明 ∵3bn-bn-1=n(n≥2),
∴bn=bn-1+n(n≥2),
∴bn-an=bn-1+n-n+
=bn-1-n+
=(n≥2).
bn-1-an-1=bn-1-(n-1)+
=bn-1-n+(n≥2),
∴bn-an=(bn-1-an-1)(n≥2).
∵b1-a1=-30≠0,
∴=(n≥2).
∴數(shù)列{bn-an}是以-30為首項,為公比的等比數(shù)列.
B組 能力提高
11.在等比數(shù)列中,a2=1,公比q≠1.若a1,4a3,7a5成等差數(shù)列,則a6的值是________.
答案
解析 由題意得8a3=a1+7a5?8q=+7q3?7q4-8q2+1=0?q2=(舍q2=1),從而a6=q4=.
12.(2018常州期末)各項均為正數(shù)的等比數(shù)列中,若a2a3a4=a2+a3+a4,則a3的最小值為________.
答案
解析 因為是各項均為正數(shù)的等比數(shù)列,且a2a3a4=a2+a3+a4,
所以a-a3=a2+a4,
則a-a3=a2+a4≥2=2a3,
當且僅當a2=a4時,等號成立,
所以a3≥0,所以a3≥,
故a3的最小值為.
13.記等差數(shù)列{an}的前n項和為Sn.若Sk-1=8,Sk=0,Sk+1=-10,則正整數(shù)k=________.
答案 9
解析 由題意得Sk-Sk-1=ak=-8,
Sk+1-Sk=ak+1=-10,則d=-2.
由Sk==0,a1=8,
所以ak=a1+(k-1)d=-8,
即8-2(k-1)=-8,則k=9.
14.已知等比數(shù)列a1,a2,a3的和為定值m(m>0),且公比q<0,令t=a1a2a3,t的取值范圍為________.
答案 [-m3,0)
解析 m=a1+a2+a3=a2,
所以a2=,因為q<0,所以q+≤-2.
又m>0,所以-m≤<0,即-m≤a2<0,
所以t=a1a2a3=a∈[-m3,0).
15.已知數(shù)列{an}的前n項和為Sn,a1=0,a1+a2+a3+…+an+n=an+1,n∈N*.
(1)求證:數(shù)列{an+1}是等比數(shù)列;
(2)設數(shù)列{bn}的前n項和為Tn,b1=1,點(Tn+1,Tn)在直線-=上,若不等式++…+≥m-對于n∈N*恒成立,求實數(shù)m的最大值.
(1)證明 由a1+a2+a3+…+an+n=an+1,
得a1+a2+a3+…+an-1+n-1=an,n≥2,
兩式相減得an+1=2an+1,
所以an+1+1=2(an+1),n≥2,
因為a1=0,所以a1+1=1,a2+1=2(a1+1),
所以{an+1}是以1為首項,2為公比的等比數(shù)列.
(2)解 由(1)得an=2n-1-1,因為點(Tn+1,Tn)在直線-=上,所以-=,故是以=1為首項,為公差的等差數(shù)列,
故=1+(n-1),所以Tn=.
當n≥2時,bn=Tn-Tn-1=-=n,
因為b1=1滿足該式,所以bn=n.
所以不等式++…+≥m-,
即1+++…+≥m-,
令Rn=1+++…+,
則Rn=+++…+,
兩式相減,得Rn=1++++…+-=2-,
所以Rn=4-.
由Rn≥m-恒成立,即4-≥m恒成立.
又-=,
故當n≤3時,單調(diào)遞減,且當n=3時,4-=;
當n≥4時,單調(diào)遞增,且當n=4時,4-=,
則4-的最小值為,
所以實數(shù)m的最大值是.
16.(2018江蘇鹽城中學熱身)已知數(shù)列{an}中a1=1,an+1=
(1)是否存在實數(shù)λ,使得數(shù)列{a2n-λ}是等比數(shù)列?若存在,求出λ的值;若不存在,請說明理由;
(2)若Sn是數(shù)列{an}的前n項和,求滿足Sn>0的所有正整數(shù)n.
解 (1)由已知,得a2(n+1)=a2n+1+(2n+1)
=[a2n-3(2n)]+2n+1=a2n+1.
令a2(n+1)-λ=(a2n-λ),得a2(n+1)=a2n+λ,所以λ=.
此時,a2-λ=+1-=-.
所以存在λ=,使得數(shù)列{a2n-λ}是等比數(shù)列.
(2)由(1)知,數(shù)列是首項為-,公比為的等比數(shù)列,
所以a2n-=-n-1=-,
即a2n=.
由a2n=a2n-1+(2n-1),得a2n-1=3a2n-3(2n-1)=-6n+3,
所以a2n-1+a2n=-6n+3+
=-2n-6n+9,
所以S2n=(a1+a2)+(a3+a4)+…+(a2n-1+a2n)
=-2-6(1+2+…+n)+9n=-3n2+6n-1,
從而S2n-1=S2n-a2n=-3n2+6n-.
因為和-3n2+6n=-3(n-1)2+3在n∈N*時均單調(diào)遞減,所以S2n和S2n-1均各自單調(diào)遞減.
計算得S1=1,S2=,S3=-,S4=-,
所以滿足Sn>0的所有正整數(shù)n的值為1和2.
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