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第2講 數(shù)列的綜合問題
[考情考向分析] 江蘇高考中,數(shù)列大題常在壓軸的代數(shù)論證中考數(shù)列的綜合應(yīng)用.近幾年江蘇高考中數(shù)列解答題總是同等差、等比數(shù)列相關(guān),進(jìn)一步考查其子數(shù)列或派生數(shù)列的性質(zhì)等,所以解題過程中既有等差、等比數(shù)列性質(zhì)的挖掘,又有等差、等比數(shù)列的判斷論證,綜合性極強.
熱點一 數(shù)列中的探索性問題
例1 (2018無錫期末)已知數(shù)列滿足…=,n∈N*,Sn是數(shù)列的前n項和.
(1)求數(shù)列的通項公式;
(2)若ap,30,Sq成等差數(shù)列,ap,18,Sq成等比數(shù)列,求正整數(shù)p,q的值;
(3)是否存在k∈N*,使得為數(shù)列中的項?若存在,求出所有滿足條件的k的值;若不存在,請說明理由.
解 (1)因為…=,n∈N*,
所以當(dāng)n=1時,1-=,a1=2,
當(dāng)n≥2時,由…=和…=,
兩式相除可得,1-=,即an-an-1=1(n≥2).
所以數(shù)列是首項為2,公差為1的等差數(shù)列.
所以an=n+1(n∈N*).
(2)因為ap,30,Sq成等差數(shù)列,ap,18,Sq成等比數(shù)列,
所以于是或
當(dāng)時,解得
當(dāng)時,無正整數(shù)解,
所以p=5,q=9.
(3)假設(shè)存在滿足條件的正整數(shù)k,使得=am(m∈N*),
則=m+1,
平方并化簡得,(2m+2)2-(2k+3)2=63,
則(2m+2k+5)(2m-2k-1)=63,
所以或
或
解得m=15,k=14,或m=5,k=3,或m=3,k=-1(舍去),
綜上所述,k=3或14.
思維升華 數(shù)列中的探索性問題是江蘇高考的一個熱點,試題一般是探求數(shù)列中項的存在性問題,此類試題的解法一般具有以下特點:假設(shè)提出的問題存在,結(jié)合數(shù)論中不定方程、奇偶性的基本性質(zhì)進(jìn)行求解.
跟蹤演練1 已知數(shù)列{an}中,a1=1,a2=a,且an+1=k(an+an+2)對任意正整數(shù)n都成立,數(shù)列{an}的前n項和為Sn.
(1)是否存在實數(shù)k,使數(shù)列{an}是公比不為1的等比數(shù)列,且任意相鄰三項am,am+1,am+2按某順序排列后成等差數(shù)列?若存在,求出所有k的值;若不存在,說明理由;
(2)若k=-,求Sn.
解 (1)設(shè)數(shù)列{an}是等比數(shù)列,則它的公比q==a,
所以am=am-1,am+1=am,am+2=am+1.
①若am+1為等差中項,則2am+1=am+am+2,
即2am=am-1+am+1,解得a=1,不合題意;
②若am為等差中項,則2am=am+1+am+2,
即2am-1=am+am+1,
化簡得a2+a-2=0,
解得a=-2或1(舍).
當(dāng)a=-2時,k====-;
③若am+2為等差中項,則2am+2=am+1+am,
即2am+1=am+am-1,化簡得2a2-a-1=0,
解得a=-或1(舍).
當(dāng)a=-時,k====-.
綜上可得滿足要求的實數(shù)k有且僅有一個,即k=-.
(2)若k=-,則an+1=-(an+an+2),
于是an+2+an+1=-(an+1+an),
所以an+3+an+2=-(an+2+an+1)=an+1+an.
當(dāng)n是偶數(shù)時,Sn=a1+a2+a3+a4+…+an-1+an
=(a1+a2)+(a3+a4)+…+(an-1+an)
=(a1+a2)=(a+1);
當(dāng)n是奇數(shù)時,Sn=a1+a2+a3+a4+…+an-1+an
=a1+(a2+a3)+(a4+a5)+…+(an-1+an)
=a1+(a2+a3)=a1+[-(a1+a2)]
=1-(a+1).
當(dāng)n=1時也適合上式.
綜上可得Sn=
熱點二 數(shù)列中的證明問題
例2 (2018江蘇黃橋中學(xué)等三校聯(lián)考)已知數(shù)列滿足a1=1,前n項和為Sn,且=.
(1)求a2的值;
(2)設(shè)bn=,證明:數(shù)列是等差數(shù)列;
(3)設(shè)cn=an,若1≤λ≤,求對所有的正整數(shù)n都有2λ2-kλ+3
0,
所以數(shù)列為單調(diào)遞增數(shù)列.
當(dāng)n≥1時, cn≥c1=,即cn的最小值為.
由2λ2-kλ+3<cn,得kλ>2λ2+2,
所以k>2max,
而當(dāng)1≤λ≤時, λ+在上遞減, 上遞增,所以max=1+,
當(dāng)且僅當(dāng)λ=1或時取得,故k∈.
思維升華 數(shù)列中的證明問題要有目標(biāo)意識,比如本題第二問要證明{bn}是等差數(shù)列,就要構(gòu)造出式子bn+1-bn=-,然后代入條件進(jìn)行證明,為證明問題提供思路.
跟蹤演練2 設(shè)數(shù)列{an}是各項均為正數(shù)的等比數(shù)列,其前n項和為Sn,若a1a5=64,S5-S3=48.
(1)求數(shù)列{an}的通項公式;
(2)對于正整數(shù)k,m,l(km≥k,n∈N*,m∈N*時總有|an-am|≤t;
(2)已知Δ2an=3n-2,若a1=1,且an≥a3對n∈N*恒成立,求a2的取值范圍.
(1)①解 ∵a=a1a3,
∴2=a1,
∴a1=.
當(dāng)n≥2時an=Δan-1+Δan-2+…+Δa1+a1=+=n-1,滿足題意;
②證明 an-am=n-1-m-1
=-,
∴|an-am|=≤≤m≤t,
∴m≥log2,因此k取不小于log2的正整數(shù),
當(dāng)n>m≥k,n∈N*,m∈N*時總有|an-am|≤t.
(2)解 ∵Δ2an=Δan+1-Δan=3n-2,
∴Δan=-2(n-1)+Δa1
=-2n++Δa1=-2n+a2-,
∵Δ2an>0,∴{Δan}遞增,
因此
∴∴-7≤a2≤0.
∴a的取值范圍為[-7,0].
思維升華 數(shù)列中的“新定義”試題指給出一個從未接觸過的新規(guī)定,要求現(xiàn)學(xué)現(xiàn)用,“給什么,用什么”是應(yīng)用“新定義”解題的基本思路.理解新定義的規(guī)則后,解決問題的手段還是運用等差數(shù)列、等比數(shù)列的定義性質(zhì)和基本數(shù)學(xué)思想.
跟蹤演練3 (2018江蘇省南京師范大學(xué)附中等四校調(diào)研)設(shè)數(shù)列的首項為1,前n項和為Sn,若對任意的n∈N*,均有Sn=an+k-k(k是常數(shù)且k∈N*)成立,則稱數(shù)列為“P數(shù)列”.
(1)若數(shù)列為“P數(shù)列”,求數(shù)列的通項公式;
(2)若數(shù)列為“P數(shù)列”,a2=2,設(shè)Tn=+++…+,證明: Tn<3.
(1)解 因為數(shù)列為“P數(shù)列”,則Sn=an+1-1,Sn+1=an+2-1,
兩式相減得,an+2=2an+1,
又n=1時,a1=a2-1,所以a2=2,
故an+1=2an對任意的n∈N*恒成立,
即=2(常數(shù)),
故數(shù)列為等比數(shù)列,其通項公式為an=2n-1,n∈N*.
(2)證明 因為數(shù)列為“P數(shù)列”,
所以Sn=an+2-2,Sn+1=an+3-2,
兩式相減有an+1=an+3-an+2,
又n=1時, a1=a3-2,故a3=3,滿足a3=a2+a1,
所以an+2=an+1+an對任意正整數(shù)n恒成立,數(shù)列的前幾項為1,2,3,5,8.
故Tn=+++…+=+++++…+,
所以Tn=++++…++,
兩式相減得 Tn=++++…+- =+Tn-2-,
顯然Tn-20,所以Tn<+Tn,
故 Tn<3.
1.(2018江蘇)設(shè){an}是首項為a1,公差為d的等差數(shù)列,{bn}是首項為b1,公比為q的等比數(shù)列.
(1)設(shè)a1=0,b1=1,q=2,若|an-bn|≤b1對n=1,2,3,4均成立,求d的取值范圍;
(2)若a1=b1>0,m∈N*,q∈(1,],證明:存在d∈R,使得|an-bn|≤b1對n=2,3,…,m+1均成立,并求d的取值范圍(用b1,m,q表示).
解 (1)由條件知an=(n-1)d,bn=2n-1,
因為|an-bn|≤b1對n=1,2,3,4均成立,
即|(n-1)d-2n-1|≤1對n=1,2,3,4均成立,
即得≤d≤.
因此,d的取值范圍為.
(2)由條件知an=b1+(n-1)d,bn=b1qn-1.
若存在d,使得|an-bn|≤b1(n=2,3,…,m+1)成立,
即|b1+(n-1)d-b1qn-1|≤b1(n=2,3,…,m+1),
即當(dāng)n=2,3,…,m+1時,d滿足b1≤d≤b1.
因為q∈(1,],則1<qn-1≤qm≤2,
從而b1≤0,b1>0對n=2,3,…,m+1均成立.
因此,取d=0時,|an-bn|≤b1對n=2,3,…,m+1均成立.
下面討論數(shù)列的最大值和數(shù)列的最小值(n=2,3,…,m+1).
①令t=n-1,則1≤t≤m,
-=
=,
當(dāng)1<q≤時,有qt≤qm≤2,
從而t(qt-qt-1)-qt+2>0.
因此,當(dāng)2≤n≤m+1時,數(shù)列單調(diào)遞增,
故數(shù)列的最大值為.
②設(shè)f(x)=2x(1-x),
當(dāng)x>0時,f′(x)=(ln 2-1-xln 2)2x<0,
所以f(x)單調(diào)遞減,從而f(x)<f(0)=1.
令t=n-1,則1≤t≤m,則=≤
=f<1,
因此,當(dāng)2≤n≤m+1時,數(shù)列單調(diào)遞減,
故數(shù)列的最小值為.
因此,d的取值范圍為.
2.(2016江蘇)記U={1,2,…,100}.對數(shù)列{an}(n∈N*)和U的子集T,若T=?,定義ST=0;若T={t1,t2,…,tk},定義ST=.例如:T={1,3,66}時,ST=a1+a3+a66.現(xiàn)設(shè){an}(n∈N*)是公比為3的等比數(shù)列,且當(dāng)T={2,4}時,ST=30.
(1)求數(shù)列{an}的通項公式;
(2)對任意正整數(shù)k(1≤k≤100),若T?{1,2,…,k},求證:ST<ak+1;
(3)設(shè)C?U,D?U,SC≥SD,求證:SC+SC∩D≥2SD.
(1)解 當(dāng)T={2,4}時,ST=a2+a4=a2+9a2=30,
∴a2=3,a1==1,故an=a1qn-1=3n-1(n∈N*).
(2)證明 對任意正整數(shù)k(1≤k≤100).
由于T?{1,2,…,k},
則ST≤a1+a2+a3+…+ak=1+3+32+…+3k-1=<3k=ak+1.
(3)證明 設(shè)A=?C(C∩D),B=?D(C∩D),
則A∩B=?,SC=SA+SC∩D,
SD=SB+SC∩D,SC+SC∩D-2SD=SA-2SB,
∴SC+SC∩D≥2SD等價于SA≥2SB.
由條件SC≥SD可得SA≥SB.
①若B=?,則SB=0,所以SA≥2SB成立,
②若B≠?,由SA≥SB可知A≠?,
設(shè)A中的最大元素為I,B中的最大元素為m,
若m≥I+1,則由(2)得SA<SI+1≤am≤SB,矛盾.
又∵A∩B=?,∴I≠m,∴I≥m+1,
∴SB≤a1+a2+…+am=1+3+32+…+3m-1<≤≤,
即SA>2SB成立.
綜上所述,SA≥2SB.
故SC+SC∩D≥2SD成立.
3.(2018南通模擬)已知等差數(shù)列與等比數(shù)列是非常數(shù)列的實數(shù)列,設(shè)A=.
(1)請舉出一對數(shù)列與,使集合A中有三個元素;
(2)問集合A中最多有多少個元素?并證明你的結(jié)論;
解 (1)an=6n-8,bn=(-2)n,則a1=b1,a2=b2,
a4=b4,A=;
(2)不妨設(shè)an=a+bn(b≠0),bn=pqn(q≠1),由an=bn?a+bn=pqn,得+n=qn,
令s=,t=(t≠0),原問題轉(zhuǎn)化為關(guān)于n的方程qn-tn-s=0,最多有多少個解.①
下面我們證明:當(dāng)q>0時,方程①最多有2個解;q<0時,方程①最多有3個解.
當(dāng)q>0時,考慮函數(shù)f(x)=qx-tx-s,則f′(x)=qxln q-t.
如果tln q<0,則f(x)為單調(diào)函數(shù),故方程①最多只有1個解;
如果tln q>0,且不妨設(shè)由f′(x)=0得f′(x)有唯一零點x0=logq,于是當(dāng)x>x0時,
f′(x)恒大于0或恒小于0,當(dāng)x0,
如果n為奇數(shù),則方程①變?yōu)閚+tn+s=0,
顯然方程最多只有一個解,即最多只有一個奇數(shù)滿足方程①,
如果n為偶數(shù),則方程①變?yōu)?
n-tn-s=0,由q>0的情形,上式最多有2個解,
即滿足①的偶數(shù)最多有2個,
這樣,最多有3個正數(shù)滿足方程①,
對于t<0,同理可以證明,方程①最多有3個解.
綜上所述,集合A中的元素最多有3個.
A組 專題通關(guān)
1.若數(shù)列{an}的通項公式是an=(-1)n(3n-2),則a1+a2+…+a10=________.
答案 15
解析 記bn=3n-2,則數(shù)列{bn}是以1為首項,3為公差的等差數(shù)列,
所以a1+a2+…+a9+a10=(-b1)+b2+…+(-b9)+b10=(b2-b1)+(b4-b3)+…+(b10-b9)=53=15.
2.?dāng)?shù)列{an}滿足an+an+1=(n∈N*),且a1=1,Sn是數(shù)列{an}的前n項和,則S21=________.
答案 6
解析 由an+an+1==an+1+an+2,∴an+2=an,則a1=a3=a5=…=a21, a2=a4=a6=…=a20,
∴S21=a1+++…+= 1+10=6.
3.設(shè)等比數(shù)列{an}滿足a1+a3=10,a2+a4=5,則a1a2…an的最大值為________.
答案 64
解析 設(shè){an}的公比為q,于是a1(1+q2)=10,①
a1(q+q3)=5,②
聯(lián)立①②得a1=8,q=,∴an=24-n,
∴a1a2…an=23+2+1+…+(4-n)=
=≤26=64.
∴a1a2…an的最大值為64.
4.已知正項數(shù)列{an}的前n項和為Sn,且Sn=,則數(shù)列{an}的通項公式是________.
答案 an=2n
解析 Sn=,當(dāng)n=1時,a1=S1=,解得a1=2或a1=0(舍去).
當(dāng)n≥2時,由an=Sn-Sn-1=-?a-a=2(an+an-1),
因為an>0,所以an+an-1≠0,則an-an-1=2,
所以數(shù)列{an}是首項為2,公差為2的等差數(shù)列,
故an=2n.
5.若數(shù)列{an}的前n項和Sn=n2-10n(n=1,2,3,…),則數(shù)列{nan}中數(shù)值最小的項是第________項.
答案 3
解析 當(dāng)n=1時,a1=S1=-9,
當(dāng)n≥2時,an=Sn-Sn-1=n2-10n-[(n-1)2-10(n-1)]=2n-11,
a1=-9符合上式,所以an=2n-11.
nan=2n2-11n=22-,
當(dāng)n=3時,nan最?。?
6.已知Sn為數(shù)列{an}的前n項和,若an(4+cos nπ)=n(2-cos nπ),則S20=________.
答案 122
解析 由題意知,因為an(4+cos nπ)=n(2-cos nπ),
所以a1=1,a2=,a3=3,a4=,a5=5,a6=,…,
所以數(shù)列{an}的奇數(shù)項構(gòu)成首項為1,公差為2的等差數(shù)列,偶數(shù)項構(gòu)成首項為,公差為的等差數(shù)列,
所以S20=(a1+a3+…+a19)+(a2+a4+…+a20)=122.
7.設(shè)公差為d(d為奇數(shù),且d>1)的等差數(shù)列{an}的前n項和為Sn,若Sm-1=-9,Sm=0,其中m>3,且m∈N*,則an=________.
答案 3n-12
解析 由Sm-1=-9,Sm=0,得am=Sm-Sm-1=9,
而Sm=0=(a1+am),得a1=-9,
而am=a1+(m-1)d,得(m-1)d=18.
又d為奇數(shù),且d>1,m>3,且m∈N*,
得m=7,d=3,則an=3n-12.
8.已知數(shù)列{an}的通項公式為an=(n+2)n(n∈N*),則數(shù)列{an}的最大項是__________.
答案 第7項或第8項
解析 因為an+1-an=(n+3)n+1-(n+2)n=n,當(dāng)n<7時,an+1-an>0,即an+1>an;當(dāng)n=7時,an+1-an=0,即an+1=an;當(dāng)n>7時,an+1-an<0,即an+1a9>a10…,
所以此數(shù)列的最大項是第7項或第8項.
9.(2018全國大聯(lián)考江蘇卷)已知等比數(shù)列的各項均為正數(shù),若a2是2a1與a3的等差中項,且a1a2=a+3a2.
(1)求數(shù)列的通項公式;
(2)設(shè)bn=,求數(shù)列的前n項和Sn.
解 (1)設(shè)等比數(shù)列的公比為q,則an=a1qn-1.
由題意,得2a2=2a1+a3,且a1>0,
化簡得2q2-9q+4=0,解得q=4或.
又因為a1a2=a+3a2,即a(q-1)=3a2>0,
所以q>1,所以q=4,
所以3a=12a1,所以a1=4(a1=0舍去),
故數(shù)列的通項公式為an=4n(n∈N*).
(2)由(1)知bn== =-(n∈N*),
于是有Sn=b1+b2+…+bn=++…+,
所以Sn=1-=(n∈N*).
10.(2018江蘇省蘇州市高新區(qū)一中月考)已知數(shù)列滿足2an+1=an+an+2+k(n∈N*,k∈R),且a1=2,a3+a5=-4.
(1)若k=0,求數(shù)列的前n項和Sn;
(2)若a4=-1,
①求證:數(shù)列為等差數(shù)列;
②求數(shù)列的通項公式an.
(1)解 當(dāng)k=0時,2an+1=an+an+2,
即an+2-an+1=an+1-an,
所以數(shù)列是等差數(shù)列.
設(shè)數(shù)列公差為d,則
解得
所以Sn=na1+d=2n+
=-n2+n(n∈N*).
(2)①證明 由題意,2a4=a3+a5+k,即-2=-4+k,
所以k=2.
又a4=2a3-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)列是以a2-a1=1為首項,-2為公差的等差數(shù)列.
②解 由①知an+1-an=-2n+3,
當(dāng)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+3(n-1),n≥2,
所以an=-2+3(n-1)+2=-n2+4n-1,n≥2,
又當(dāng)n=1時,a1=2也適合.
所以數(shù)列的通項公式為an=-n2+4n-1,n∈N*.
B組 能力提高
11.設(shè)數(shù)列{an}的前n項和為Sn,且an=4+n-1,若對任意n∈N*,都有1≤p(Sn-4n)≤3,則實數(shù)p的取值范圍是________.
答案 [2,3]
解析 Sn=4n+,
可得1≤p≤3,
n為奇數(shù)時,1≤p≤3;
n為偶數(shù)時,1≤p≤3.
即1≤min且max≤3,
令前者n=2,后者n=1,得2≤p≤3.
12.已知等比數(shù)列{an}中,a1=a,a2=b,a3=c,a,b,c分別為△ABC的三內(nèi)角A,B,C的對邊,且cos B=,則數(shù)列{an}的公比為________.
答案 或
解析 依題意知,b2=ac,由余弦定理,得
cos B==-=.
而=q2,代入上式,得q2=2或q2=,
又在△ABC中,a,b,c>0,∴q=或q=.
13.已知數(shù)列{an}的奇數(shù)項依次構(gòu)成公差為d1的等差數(shù)列,偶數(shù)項依次構(gòu)成公差為d2的等差數(shù)列,且對任意n∈N*,都有an0,結(jié)合②得m+1+2k<19,
所以2kk)恒成立,則稱數(shù)列是“R數(shù)列”.
(1)已知an=判斷數(shù)列是否為“R數(shù)列”,并說明理由;
(2)已知數(shù)列是“R數(shù)列”,且存在整數(shù)p(p>1),使得b3p-3, b3p-1, b3p+1,b3p+3成等差數(shù)列,證明: 是等差數(shù)列.
(1)解 當(dāng)n為奇數(shù)時, an+1-an=2-=3>0,所以an+1≥an.
an-2+an+2= 2-1+2-1
=2=2an.
當(dāng)n為偶數(shù)時,an+1-an=-2n=1>0,
所以an+1≥an.
an-2+an+2= 2+2=4n=2an.
所以數(shù)列是“R數(shù)列”.
(2)證明 方法一 由題意得 bn-3+bn+3=2bn,
則數(shù)列b1, b4, b7,…是等差數(shù)列,設(shè)其公差為d1,
數(shù)列b2, b5, b8,…是等差數(shù)列,設(shè)其公差為d2,
數(shù)列b3, b6, b9,…是等差數(shù)列,設(shè)其公差為d3.
因為bn≤bn+1,所以b3n+1≤b3n+2≤b3n+4,
所以b1+nd1≤b2+nd2≤b1+d1,
所以n≥b1-b2,①
n≤b1-b2+d1.②
若d2-d1<0,則當(dāng)n>時,①不成立;
若d2-d1>0,則當(dāng)n>時,②不成立;
若d2-d1=0,則①和②都成立,所以d1=d2.
同理得d1=d3,所以d1=d2=d3,記d1=d2=d3=d.
設(shè)b3p-1-b3p-3=b3p+1-b3p-1 =b3p+3-b3p+1=λ,
則b3n-1-b3n-2=b3p-1+d-
=b3p-1-b3p+1+d=d-λ.
同理可得 b3n-b3n-1=b3n+1-b3n=d-λ,
所以bn+1-bn=d-λ.
所以是等差數(shù)列.
方法二 λ=b3p-1-b3p-3 =b2+d- =b2-b3+d,
λ=b3p+1-b3p-1 =b1+pd-=b1-b2+d,
λ=b3p+3-b3p+1 =b3+pd-=b3-b1,
以上三式相加可得 3λ=2d,所以λ=d,
所以b3n-2=b1+d =b1+,
b3n-1=b2+d =b1+d-λ+d =b1+,
b3n=b3+d =b1+λ+d =b1+,
所以bn=b1+,所以bn+1-bn=,
所以數(shù)列是等差數(shù)列.
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