授课主题数列求和
教学目标
1.理解等比数列的概念.
2.掌握等比数列的通项公式与前n项和公式.
3.能在具体的问题情境中识别数列的等比关系,并能用等比数列的有关知识解决相应的问
题.
4.了解等比数列与指数函数的关系.
教学内容
1.基本数列求和公式法
(1)等差数列求和公式:
S n=
n(a1+a n)
2=na1+
n(n-1)
2d.
(2)等比数列求和公式:
S n=
??
?
??na1,q=1,
a1-a n q
1-q
=
a1(1-q n)
1-q
,q≠1.
2.非基本数列求和常用方法
(1)倒序相加法;(2)分组求和法;(3)并项求和法;(4)错位相减法;(5)裂项相消法.
常见的裂项公式:
①
1
n(n+k)
=
1
k?
?
?
?
1
n-
1
n+k;
②
1
(2n-1)(2n+1)
=
1
2?
?
?
?
1
2n-1
-
1
2n+1;
③
1
n(n+1)(n+2)
=
1
2?
?
?
?
1
n(n+1)
-
1
(n+1)(n+2);
④
1
n+n+k
=
1
k(n+k-n).
3.常用求和公式
(1)1+2+3+4+…+n=
n(n+1)
2;
(2)1+3+5+7+…+(2n-1)=n2;
(3)12+22+32+…+n 2=n (n +1)(2n +1)
6;
(4)13+23+33+…+n 3=??
??n (n +1)22.
题型一 错位相减法求和
例1、已知数列{a n }的前n 项和S n =3n 2+8n ,{b n }是等差数列,且a n =b n +b n +1.
(1)求数列{b n }的通项公式;
(2)令c n =(a n +1)n +
1
(b n +2)n
,求数列{c n }的前n 项和T n .
方法点拨:利用a n =S n -S n -1(n ≥2)、方程思想、错位相减法. 解 (1)由题意知,当n ≥2时,a n =S n -S n -1=6n +5. 当n =1时,a 1=S 1=11,所以a n =6n +5. 设数列{b n }的公差为d .
由????? a 1=b 1+b 2,a 2=b 2+b 3,即?????
11=2b 1+d ,17=2b 1+3d ,
可解得b 1=4,d =3,所以b n =3n +1. (2)由(1)知c n =(6n +6)n +
1(3n +3)n =3(n +1)·2n +1. 又T n =c 1+c 2+…+c n ,
得T n =3×[2×22+3×23+…+(n +1)×2n +
1], 2T n =3×[2×23+3×24+…+(n +1)×2n +2],
两式作差,得-T n =3×[2×22+23+24+…+2n +1-(n +1)×2n +2]=3×
????
??4+4(1-2n
)1-2-(n +1)×2n +2=-3n ·2n +
2,所以T n =3n ·2n +
2.
方法技巧
利用错位相减法的一般类型及思路
1.适用的数列类型:{a n b n },其中数列{a n }是公差为d 的等差数列,{b n }是公比为q ≠1的等比数列. 2.思路:设S n =a 1b 1+a 2b 2+…+a n b n ,(*) 则qS n =a 1b 2+a 2b 3+…+a n -1b n +a n b n +1,(**)
(*)-(**)得:(1-q )S n =a 1b 1+d (b 2+b 3+…+b n )-a n b n +1,就转化为根据公式可求的和.如典例. 提醒:用错位相减法求和时容易出现以下两点错误: (1)两式相减时最后一项因为没有对应项而忘记变号.
(2)对相减后的和式的结构认识模糊,错把中间的n -1项和当作n 项和.
(2)若b n =log 3(-a n +1),设数列????
??1b n b n +2的前n 项和为T n ,求证:T n <3
4.
解 (1)∵S n =1
2a n +1+n +1(n ∈N *),
∴当n =1时,-2=1
2a 2+2,解得a 2=-8,
当n ≥2时,S n -1=1
2
a n +n ,
两式相减,并化简,得a n +1=3a n -2, 即a n +1-1=3(a n -1),
n =1时,a 2-1=3(a 1-1)=-9,
所以{a n -1}是以-3为首项,3为公比的等比数列, 所以a n -1=(-3)·3n -
1=-3n . 故a n =-3n +1.
(2)证明:由b n =log 3(-a n +1)=log 33n =n ,得1b n b n +2=1n (n +2)=12?
???1n -1n +2,
T n =12????1-13+12-14+13-15+…+1n -1-1n +1+1n -1n +2=12????1+12-1n +1-1n +2=34-2n +32(n +1)(n +2)<3
4.
题型三 分组转化法求和
例3、设等差数列{a n }的前n 项和为S n ,且a 2=8,S 4=40.数列{b n }的前n 项和为T n ,且T n -2b n +3=0,n ∈N *.
(1)求数列{a n },{b n }的通项公式;
(2)设c n =?????
a n ,n 为奇数,
b n ,n 为偶数,
求数列{c n }的前n 项和P n .
解 (1)设等差数列{a n }的公差为d ,
由题意,得????? a 1+d =8,4a 1+6d =40,解得?????
a 1=4,d =4,
∴a n =4n .
∵T n -2b n +3=0,①
∴当n =1时,b 1=3,当n ≥2时,T n -1-2b n -1+3=0,② ①-②,得b n =2b n -1(n ≥2), 则数列{b n }为等比数列, ∴b n =3·2n -
1.
(2)c n =?
????
4n ,n 为奇数,
3·2n -1,n 为偶数.
当n 为偶数时,P n =(a 1+a 3+…+a n -1)+(b 2+b 4+…+b n )=(4+4n -4)·
n
2
2
+
=2n +
1+n 2-2.
当n 为奇数时,
n =1时,P 1=c 1=a 1=4,
解法一:n -1为偶数,P n =P n -1+c n =2(n
-1)+1
+(n -1)2-2+4n =2n +n 2+2n -1,
解法二:P n =(a 1+a 3+…+a n -2+a n )+(b 2+b 4+…+b n -1)=(4+4n )·
n +1
2
2
+
=2n +n 2+2n -1.
∴P n =?
????
2n +
1+n 2-2,n 为偶数,
2n +n 2+2n -1,n 为奇数.
方法技巧
分组转化法求和的常见类型
1.若a n =b n ±c n ,且{b n },{c n }为等差或等比数列,可采用分组求和法求{a n }的前n 项和.
2.通项公式为a n =????
?
b n ,n 为奇数,
c n
,n 为偶数的数列,其中数列{b n },{c n }是等比数列或等差数列,可采用分组求和法求
和.如典例.
【冲关针对训练】已知{a n }是等比数列,前n 项和为S n (n ∈N *),且1a 1-1a 2=2
a 3
,S 6=63.
(1)求{a n }的通项公式;
(2)若对任意的n ∈N *,b n 是log 2a n 和log 2a n +1的等差中项,求数列{(-1)n b 2n }的前2n 项和. 解 (1)设数列{a n }的公比为q .
由已知,有1a 1-1a 1q =2
a 1q 2,解得q =2或q =-1.
又由S 6=a 1(1-q 6)
1-q =63,知q ≠-1,
所以a 1(1-26)1-2=63,得a 1=1.
所以a n =2n -
1.
(2)由题意,得b n =12(log 2a n +log 2a n +1)=12(log 22n -
1+log 22n )=n -12,
即{b n }的首项为1
2,公差为1的等差数列.
设数列{}(-1)n b 2n 的前n 项和为T n ,则
T 2n =(-b 21+b 22)+(-b 23+b 24)+…+(-b 22n -1+b 22n )=b 1+b 2+b 3+b 4+…+b 2n -1+b 2n
=2n (b 1+b 2n )2=2n 2. 题型四 倒序相加法
例4、设f (x )=4x 4x +2
,若S =f ????12017+f ????22017+…+f ????20162017,则S =________. 方法点拨:利用函数性质f (x )+f (1-x )=1倒序相加求和. 答案 1008
解析 ∵f (x )=4x 4x +2,∴f (1-x )=41-
x 41-x +2=2
2+4x .
∴f (x )+f (1-x )=4x 4x +2+2
2+4x =1.
S =f ????12017+f ????22017+…+f ????20162017,① S =f ????20162017+f ????20152017+…+f ???
?12017,② ①+②,得2S =????f ????12017+f ????20162017+????f ????22017+f ????20152017+…+???
?f ????20162017+f ????12017=2016. ∴S =20162=1008.
方法技巧
如果一个数列{a n },与首末两项等距离的两项之和等于首末两项之和,可采用把正着写与倒着写的两个和式相加,就得到一个常数列的和,这一求和方法称为倒序相加法.
【冲关针对训练】已知定义在R 上的函数f (x )的图象的对称中心为(1008,2).数列{a n }的前n 项和为S n ,且满足a n =f (n ),n ∈N *.求S 2015.
解 由条件得f (2×1008-x )+f (x )=2×2,即f (2016-x )+f (x )=4. 于是有a 2016-n +a n =4(n ∈N *). 又S 2015=a 1+a 2+a 3+…+a 2014+a 2015, S 2015=a 2015+a 2014+…+a 2+a 1.两式相加得
2S 2015=(a 1+a 2015)+(a 2+a 2014)+…+(a 2014+a 2)+(a 2015+a 1)=2015(a 1+a 2015)=2015×4. 故S 2015=2015×2=4030.
1.(2018·重庆调研)几位大学生响应国家的创业号召,开发了一款应用软件.为激发大家学习数学的兴趣,他们推出了“解数学题获取软件激活码”的活动.这款软件的激活码为下面数学问题的答案:已知数列1,1,2,1,2,4,1,2,4,8,1,2,4,8,16,…,其中第一项是20,接下来的两项是20,21,再接下来的三项是20,21,22,依此类推.求满足如下条件的最小整数N :N >100且该数列的前N 项和为2的整数幂.那么该款软件的激活码是( )
A .440
B .330
C .220
D .110
答案 A
解析 设1+(1+2)+…+(1+2+…+2n -
1)+(1+2+…+2t )=2m (其中m ,n ,t ∈N,0≤t ≤n ),则有N =n (n +1)2+t
+1,因为N >100,所以n ≥13.
由等比数列的前n 项和公式可得2n +
1-n -2+2t +
1-1=2m . 因为n ≥13,所以2n >n +2,
所以2n +
1>2n +n +2,即2n +
1-n -2>2n ,
由b 3=a 4-2a 1,可得3d -a 1=8,① 由S 11=11b 4,可得a 1+5d =16,② 联立①②,解得a 1=1,d =3, 由此可得a n =3n -2.
所以数列{a n }的通项公式为a n =3n -2,数列{b n }的通项公式为b n =2n .
(2)设数列{a 2n b 2n -1}的前n 项和为T n ,由a 2n =6n -2,b 2n -1=2×4n -
1,得a 2n b 2n -1=(3n -1)×4n , 故T n =2×4+5×42+8×43+…+(3n -1)×4n ,
4T n =2×42+5×43+8×44+…+(3n -4)×4n +(3n -1)×4n +
1, 上述两式相减,得-3T n
=2×4+3×42+3×43+…+3×4n -(3n -1)×4n +
1=
12×(1-4n )1-4
-4-(3n -1)×4n +
1=-(3n -
2)×4n +
1-8,得T n =3n -23×4n +1+83
.
所以数列{a 2n b 2n -1}的前n 项和为3n -23×4n +1+8
3
.
一、选择题
1.已知等差数列{a n }的前n 项和为S n ,且S 2=10,S 5=55,则a n +100+a n -98=( )
A .8n +6
B .4n +1
C .8n +3
D .4n +3
答案 A
解析 设等差数列{a n }的公差为d ,则S n =na 1+n (n -1)
2d ,由S 2=10,S 5=55,可得
???
2a 1+2(2-1)
2
d =10,5a 1
+5(5-1)
2d =55,
得?
????
a 1=3,d =4,所以a n =a 1+(n -1)d =4n -1,则a n +100+a n -98=2a n +1=8n +6.故选A. 2.已知等差数列{a n }的前n 项和为S n ,且满足S 33-S 2
2
=1,则数列{a n }的公差是( )
A .1
B .2
C .4
D .6
答案 B
解析 由S 33-S 2
2=1得a 1+a 2+a 33-a 1+a 22=a 1+d -2a 1+d 2=d 2=1,所以d =2.故选B.
3.若两个等差数列{a n }和{b n }的前n 项和分别是S n ,T n ,已知S n T n =7n n +3,则a 5
b 5
=( )
?1a n +1-1=1a n -1-1,∴1a n -1=112-1-(n -1)=-n -1?a n =n n +1?a n n 2=1n (n +1)=1n -1n +1
,∴a 1+a 222+…+a 1001002=1-
12+12-13+…+1100-1101=100
101.故选C. 二、填空题
11.S n =1+11+111+…+
=________.
答案 10n +
1-9n -1081
解析 ∵a n =1
9(10n -1),
=1
9
[(10-1)+(102-1)+…+(10n -1)] =19[(10+102
+…+10n )-n ]=19???
?10(10n -1)9-n =10n +
1-9n -1081. 12.数列{a n }满足:a 1=43,且a n +1=4(n +1)a n 3a n +n
(n ∈N *),则1a 1+2a 2+3a 3+…+2018a 2018=________.
答案 201723+1
3×42018
解析 由题意可知n +1a n +1=34+14·n a n ?n +1a n +1
-1=14????n a n -1,又1a 1-1=-14,所以数列??????n a n -1是以-14为首项,以1
4为公比的等比数列,所以n a n =1-1
4
n ,
所以1a 1+2a 2+3a 3+…+n a n =n -14??
??1-14n 1-14=n -13+13·1
4
n ,
则1a 1+2a 2+3a 3+…+2018a 2018=2018-13+13×142018=201723+13×42018
. 13.设f (x )=1
2x +2,利用课本中推导等差数列前n 项和的公式的方法,可求得f (-5)+f (-4)+…+f (0)+…+f (5)+
f (6)的值为________.
答案 3 2
解析 ∵6+(-5)=1,∴f (-5),f (-4),…,f (5),f (6)共有11+1=12项. 由f (-5),f (6);f (-4),f (5);…;f (0),f (1)共有6对,且该数列为等差数列. 又f (0)+f (1)=11+2+12+2=11+2+12(1+2)=2+12(1+2)=12=2
2,
∴f (-5)+f (-4)+…+f (6)=6×2
2
=3 2.
(2)设b n =log 4a n ,数列{b n }的前n 项和为S n ,是否存在正整数k ,使得1S 1+1S 2+1S 3+…+1
S n
若存在,求出正整数k 的最小值;若不存在,请说明理由. 解 (1)设数列{a n }的公比为q ,由题意可得a 3=16, a 3-a 2=8,则a 2=8,q =2,a 1=4,所以a n =2n + 1. (2)b n =log 42n + 1=n +12, S n =b 1+b 2+…+b n =n (n +3) 4. 1S n =4n (n +3)=43??? ?1n -1n +3, 所以1S 1+1S 2+1S 3+…+1S n =43????11-14+12-15+13-1 6+…+1n -1n +3=43????1+12+13-1n +1-1n +2-1n +3 =43×116-43×????1 n +1+1n +2+1n +3=229-43×????1n +1+1n +2+1n +3. 当n =1时,1S 1=1<2<22 9 ; 当n ≥2时,1S 1+1S 2+…+1S n =229-43????1n +1+1n +2+1n +3<22 9<3. 故存在k =3时,对任意的n ∈N *都有1S 1+1S 2+1S 3+…+1 S n <3. 1. (2012·安徽)公比为2的等比数列{a n }的各项都是正数,且a 3a 11=16,则log 2a 10等于( ) A .4 B .5 C .6 D .7 答案 B 解析 利用等比数列的性质和通项公式求解. ∵a 3·a 11=16,∴a 27=16. 又∵等比数列{a n }的各项都是正数, ∴a 7=4. 又∵a 10=a 7q 3=4×23=25, ∴log 2a 10=5.故选B. 2. 等比数列{}a n 中,|a 1|=1,a 5=-8a 2.a 5>a 2,则a n 等于 ( ) A .(-2)n - 1 B .-(-2)n - 1 C .(-2)n D .-(-2)n 答案 A 解析 ∵|a 1|=1,∴a 1=1或a 1=-1. ∵a 5=-8a 2=a 2·q 3,∴q 3=-8,∴q =-2. 又a 5>a 2,即a 2q 3>a 2,∴a 2<0. 而a 2=a 1q =a 1·(-2)<0,∴a 1=1. 故a n =a 1·(-2)n - 1=(-2)n - 1. 3. (2013·课标全国Ⅱ)等比数列{a n }的前n 项和为S n ,已知S 3=a 2+10a 1,a 5=9,则a 1等于( ) A.13 B .-1 3 C.19 D .-19 答案 C 解析 设等比数列{a n }的公比为q , 由S 3=a 2+10a 1得a 1+a 2+a 3=a 2+10a 1,即a 3=9a 1,q 2=9, 又a 5=a 1q 4=9,所以a 1=1 9 . 4. 一个等比数列的前三项的积为3,最后三项的积为9,且所有项的积为729,则该数列的项数是 ( ) A .13 B .12 C .11 D .10 答案 B 解析 设该等比数列为{a n },其前n 项积为T n , 则由已知得a 1·a 2·a 3=3,a n -2·a n -1·a n =9, (a 1·a n )3=3×9=33, ∴a 1·a n =3,又T n =a 1·a 2·…·a n -1·a n , T n =a n ·a n -1·…·a 2·a 1, ∴T 2n =(a 1· a n )n ,即7292=3n ,∴n =12. 5. 数列{a n }中,已知对任意n ∈N +,a 1+a 2+a 3+…+a n =3n -1,则a 21+a 22+a 33+…+a 2 n 等于 ( ) A .(3n -1)2 B.1 2(9n -1) C .9n -1 D.1 4 (3n -1) 答案 B 解析 ∵a 1+a 2+…+a n =3n -1,n ∈N +, n ≥2时,a 1+a 2+…+a n -1=3n - 1-1, ∴当n ≥2时,a n =3n -3n - 1=2·3n -1, 又n =1时,a 1=2适合上式,∴a n =2·3n - 1, 故数列{a 2n }是首项为4,公比为9的等比数列. 因此 a 21+a 22+…+a 2n = 4 1-9n 1-9 =1 2(9n -1). 6.已知{a n }是首项为1的等比数列,若S n 是{a n }的前n 项和,且28S 3=S 6,则数列???? ?? 1a n 的前4项和为 ( ) A.15 8或4 B.4027或4 C.4027 D.158 答案 C 解析 设数列{a n }的公比为q . 当q =1时,由a 1=1,得28S 3=28×3=84. 而S 6=6,两者不相等,因此不合题意. 当q ≠1时,由28S 3=S 6及首项为1,得 281-q 31-q =1-q 61-q .解得q =3.所以数列{a n }的通项公式为a n =3n - 1. 所以数列???? ??1a n 的前4项和为1+13+19+127=40 27. 7.等比数列{a n }中,S n 表示前n 项和,a 3=2S 2+1,a 4=2S 3+1,则公比q 为________. 答案 3 解析 由a 3=2S 2+1,a 4=2S 3+1得a 4-a 3=2(S 3-S 2)=2a 3, ∴a 4=3a 3,∴q =a 4 a 3 =3. 8.(2012·江西)等比数列{a n }的前n 项和为S n ,公比不为1.若a 1=1,则对任意的n ∈N +,都有a n +2+a n +1-2a n =0, 则S 5=________. 答案 11 解析 利用“特殊值”法,确定公比. 由题意知a 3+a 2-2a 1=0,设公比为q ,则a 1(q 2+q -2)=0. 由q 2+q -2=0解得q =-2或q =1(舍去), 则S 5=a 11-q 51-q = 1--2 5 3=11. 9. 设等比数列{a n }的公比为q ,前n 项和为S n ,若S n +1,S n ,S n +2成等差数列,则q 的值为________. 答案 -2 解析 由已知条件得2S n =S n +1+S n +2, 即2S n =2S n +2a n +1+a n +2,即a n +2 a n +1 =-2. 10.已知等差数列{a n }满足a 2=2,a 5=8. (1)求{a n }的通项公式; (2)各项均为正数的等比数列{b n }中,b 1=1,b 2+b 3=a 4,求{b n }的前n 项和T n . 解 (1)设等差数列{a n }的公差为d , 则由已知得? ???? a 1+d =2 a 1+4d =8.∴a 1=0,d =2. ∴a n =a 1+(n -1)d =2n -2. (2)设等比数列{b n }的公比为q ,则由已知得q +q 2=a 4, ∵a 4=6,∴q =2或q =-3. ∵等比数列{b n }的各项均为正数,∴q =2. ∴{b n }的前n 项和T n = b 1 1-q n 1-q =1×1-2n 1-2 =2n -1. 11.(2013·天津)已知首项为3 2 的等比数列{a n }不是..递减数列,其前n 项和为S n (n ∈N +),且S 3+a 3,S 5+a 5,S 4+a 4成等差数列. (1)求数列{a n }的通项公式; (2)设T n =S n -1 S n (n ∈N +),求数列{T n }的最大项的值与最小项的值. 解 (1)设等比数列{a n }的公比为q , 因为S 3+a 3,S 5+a 5,S 4+a 4成等差数列, 所以S 5+a 5-S 3-a 3=S 4+a 4-S 5-a 5,即4a 5=a 3, 于是q 2=a 5a 3=1 4 . 又{a n }不是递减数列且a 1=32,所以q =-1 2 . 故等比数列{a n }的通项公式为a n =32×????-12n -1=(-1)n -1·32n . (2)由(1)得S n =1-??? ?-1 2n =? ?? 1+1 2n ,n 为奇数, 1-1 2 n ,n 为偶数. 当n 为奇数时,S n 随n 的增大而减小, 所以1 6. 当n 为偶数时,S n 随n 的增大而增大, 所以34=S 2≤S n <1,故0>S n -1S n ≥S 2-1S 2=34-43=-7 12. 综上,对于n ∈N +,总有- 712≤S n -1S n ≤5 6 . 所以数列{T n }最大项的值为56,最小项的值为-7 12 . 12. 已知数列{a n }的前n 项和为S n ,数列{b n }中,b 1=a 1,b n =a n -a n -1 (n ≥2),且a n +S n =n . (1)设c n =a n -1,求证:{c n }是等比数列;