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2020江苏高考理科数学二轮讲义:专题三第1讲 等差数列与等比数列
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第1讲 等差数列与等比数列
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1.等差数列与等比数列基本量的运算
第8题
第9题
数列是江苏高考考查的热点.考查的重点是等差、等比数列的基础知识、基本技能、基本思想方法.一般有两道题,一道填空题,一道解答题.在填空题中,突出了“小、巧、活”的特点,属中高档题,解答题主要与函数、方程、推理证明等知识综合考查,属中等难度以上的试题,甚至是难题,多为压轴题.
2.等差数列与等比数列的综合运用
第20题
第20题
1.必记的概念与定理
(1)an与Sn的关系
Sn=a1+a2+…+an,an=
(2)等差数列和等比数列
等差数列
等比数列
定义
an-an-1=常数(n≥2)
=常数(n≥2)
通项公式
an=a1+(n-1)d
an=a1qn-1(q≠0)
判定方法
(1)定义法
(2)中项公式法:2an+1=an+an+2(n≥1,n∈N*)⇔{an}为等差数列
(3)通项公式法:an=pn+q(p、q为常数)⇔{an}为等差数列
(4)前n项和公式法:Sn=An2+Bn(A、B为常数)⇔{an}为等差数列
(1)定义法
(2)中项公式法:a=an·an+2(n≥1,n∈N*)(an≠0) ⇔{an}为等比数列
(3)通项公式法:an=c·qn(c、q均是不为0的常数)⇔{an}为等比数列
判定方法
(5){an}为等比数列,an>0⇔{logban}为等差数列
(4){an}为等差数列⇔{ban}为等比数列(b>0且b≠1)
2.记住几个常用的公式与结论
(1)等差数列的性质
①在等差数列{an}中,an=am+(n-m)d,d=;
②当公差d≠0时,等差数列{an}的通项公式an=a1+(n-1)d=dn+a1-d是关于n的一次函数,且斜率为公差d;前n项和Sn=na1+d=n2+(a1-)n是关于n的常数项为0的二次函数.
③若公差d>0,则数列为递增等差数列,若公差d<0,则数列为递减等差数列,若公差d=0,则数列为常数列.
④当m+n=p+q时,则有am+an=ap+aq,特别地,当m+n=2p时,则有am+an=2ap.
⑤若{an}是等差数列,Sn,S2n-Sn,S3n-S2n,…也成等差数列.
⑥在等差数列{an}中,当项数为偶数2n时,S偶-S奇=nd;项数为奇数2n-1时,S奇-S偶=a中,S2n-1=(2n-1)·a中(这里a中即an),S奇∶S偶=n∶(n-1).
⑦若等差数列{an}、{bn}的前n项和分别为An、Bn,且=f(n),则===f(2n-1).
⑧“首正”的递减等差数列中,前n项和的最大值是所有非负项之和;“首负”的递增等差数列中,前n项和的最小值是所有非正项之和.法一:由不等式组(或)确定出前多少项为非负(或非正);法二:因等差数列前n项和是关于n的二次函数,故可转化为求二次函数的最值,但要注意数列的特殊性n∈N*.
⑨如果两等差数列有公共项,那么由它们的公共项顺次组成的新数列也是等差数列,且新等差数列的公差是原两等差数列公差的最小公倍数.
(2)等比数列的性质
①在等比数列{an}中,an=amqn-m,q=;
②当m+n=p+q时,则有am·an=ap·aq,特别地,当m+n=2p时,则有am·an=a.
③若{an}是等比数列,且公比q≠-1,则数列Sn ,S2n-Sn,S3n-S2n,…也是等比数列.
当q=-1,且n为偶数时,数列Sn ,S2n-Sn,S3n-S2n,…是常数列{0,0,0,…},它不是等比数列.
④若a1>0,q>1,则{an}为递增数列;若a1<0,q>1, 则{an}为递减数列;若a1>0,0 3.需要关注的易错易混点
(1)用定义证明等差数列时,常采用的两个式子an+1-an=d和an-an-1=d,但它们的意义不同,后者必须加上“n≥2”,否则n=1时,a0无定义.
(2)从等比数列的定义看,等比数列的任意项都是非零的,公比q也是非零常数.
(3)由an+1=qan,q≠0并不能立即断言{an}为等比数列,还要验证a1≠0.
等差数列与等比数列基本量的运算
[典型例题]
(1)(2019·高考江苏卷)已知数列{an}(n∈N*)是等差数列,Sn是其前n项和.若a2a5+a8=0,S9=27,则S8的值是________.
(2)(2019·苏北三市高三模拟)在公比为q且各项均为正数的等比数列{an}中,Sn为{an}的前n项和.若a1=,且S5=S2+2,则q的值为________.
【解析】 (1)通解:设等差数列{an}的公差为d,则a2a5+a8=(a1+d)(a1+4d)+a1+7d=a+4d2+5a1d+a1+7d=0,S9=9a1+36d=27,解得a1=-5,d=2,则S8=8a1+28d=-40+56=16.
优解:设等差数列{an}的公差为d.S9==9a5=27,a5=3,又a2a5+a8=0,则3(3-3d)+3+3d=0,得d=2,则S8==4(a4+a5)=4(1+3)=16.
(2)由题意得,a3+a4+a5=2,又a1=,所以1+q+q2=2,即q2+q-1=0,所以q=,又q>0,所以q=.
【答案】 (1)16 (2)
(1)等差(比)数列的通项公式及前n项和公式共涉及五个量a1,an,d(q),n,Sn,知道其中三个就能求另外两个,体现了用方程组解决问题的思想.
(2)数列的通项公式和前n项和公式在解题中起到变量代换的作用,而a1和d(q)是等差(比)数列的两个基本量,用它们表示已知量和未知量是常用方法.
[对点训练]
1.(2019·江苏省高考名校联考(一))设Sn为数列{an}的前n项和,若数列{an}与数列(t<-1)分别是公比为q,q′的等比数列,则q+q′的取值范围为________.
[解析] 若q=1,则+t=n+t,不成等比数列,故q≠1,则+t=+t,考虑前三项1+t,+t,+t成等比数列得,t=,反之,当t=时,+t=成等比数列,此时,公比为,即q′=.由t<-1,得<-1,q>1,q+q′=q+>2,故q+q′的取值范围是(2,+∞).
[答案] (2,+∞)
2.(2019·苏州市高三调研)已知{an}是等差数列,a5=15,a10=-10,记数列{an}的第n项到第n+5项的和为Tn,则|Tn|取得最小值时的n的值为________.
[解析] 由得,从而等差数列{an}的通项公式为an=40-5n,得Tn=(40-5n)+…+(15-5n)=165-30n,因为|Tn|≥0,又n∈N*,
故当n=5或6时,|Tn|取得最小值15.
[答案] 5或6
等差、等比数列的判断与证明
[典型例题]
(2019·江苏名校联考信息卷)已知数列{an}的各项均为正数,其前n项和为Sn,且对任意的m,n∈N*,都有(Sm+n+S1)2=4a2ma2n.
(1)求的值;
(2)求证:{an}为等比数列.
【解】 (1)由(Sm+n+S1)2=4a2na2m,
得(S2+S1)2=4a,
即(a2+2a1)2=4a.
因为a1>0,a2>0,
所以a2+2a1=2a2,即=2.
(2)证明:法一:令m=1,n=2,得(S3+S1)2=4a2a4,
即(2a1+a2+a3)2=4a2a4,
令m=n=2,得S4+S1=2a4,
即2a1+a2+a3=a4.
又=2,所以a4=4a2=8a1,a3=4a1.
由(Sm+n+S1)2=4a2na2m,
得(Sn+1+S1)2=4a2na2,(Sn+2+S1)2=4a2na4.
两式相除,得=,
所以==2,
即Sn+2+S1=2(Sn+1+S1),
从而Sn+3+S1=2(Sn+2+S1).
以上两式相减,
得an+3=2an+2,
故当n≥3时,{an}是公比为2的等比数列.
又a3=2a2=4a1,
从而an=a1·2n-1,n∈N*.
显然,an=a1·2n-1满足题设,
因此{an}是首项为a1,公比为2的等比数列.
法二:在(Sm+n+S1)2=4a2na2m中,
令m=n,得S2n+S1=2a2n.①
令m=n+1,得S2n+1+S1=2,②
在①中,用n+1代替n得,S2n+2+S1=2a2n+2.③
②-①,得a2n+1=2-2a2n=2(-),④
③-②,得a2n+2=2a2n+2-2=2·(-),⑤
由④⑤得a2n+1=.⑥
将⑥代入④,得a2n+1=2a2n,
将⑥代入⑤得a2n+2=2a2n+1,
所以==2.
又=2,从而an=a1·2n-1,n∈N*.
显然an=a1·2n-1满足题设.
因此{an}是首项为a1,公比为2的等比数列.
递推数列问题常见的处理方法
(1)将第n项和第n+1项合并在一起,看是否是一个特殊数列;若递推关系式含有an与Sn,则考虑是否可以将an与Sn进行统一.
(2)根据递推关系式的结构特征确定是否为熟悉的、有固定方法的递推关系式向通项公式的转换类型,否则可以写出数列的前几项,看能否找到规律,即先特殊、后一般、再特殊.
[对点训练]
3.设Sn为数列{an}的前n项和,对任意的n∈N*,都有Sn=2-an,数列{bn}满足b1=2a1,bn=(n≥2,n∈N*).
(1)求证:数列{an}是等比数列,并求{an}的通项公式;
(2)判断数列{}是等差数列还是等比数列,并求数列{bn}的通项公式.
[解] (1)当n=1时,a1=S1=2-a1,解得a1=1;
当n≥2时,an=Sn-Sn-1=an-1-an,
即=(n≥2,n∈N*).
所以数列{an}是首项为1,公比为的等比数列,
故数列{an}的通项公式为an=.
(2)因为a1=1,所以b1=2a1=2.
因为bn=,
所以=+1,
即-=1(n≥2).
所以数列{}是首项为,公差为1的等差数列.
所以=+(n-1)·1=,故数列{bn}的通项公式为bn=.
等差数列与等比数列的综合运用
[典型例题]
(2018·高考江苏卷)设{an}是首项为a1,公差为d的等差数列,{bn}是首项为b1,公比为q的等比数列.
(1)设a1=0,b1=1,q=2,若|an-bn|≤b1对n=1,2,3,4均成立,求d的取值范围;
(2)若a1=b1>0,m∈N*,q∈(1,],证明:存在d∈R,使得|an-bn|≤b1对n=2,3,…,m+1均成立,并求d的取值范围(用b1,m,q表示).
【解】 (1)由条件知:an=(n-1)d,bn=2n-1,
因为|an-bn|≤b1对n=1,2,3,4均成立,
即|(n-1)d-2n-1|≤1对n=1,2,3,4均成立,
即1≤1,1≤d≤3,3≤2d≤5,7≤3d≤9,得≤d≤,
因此,d的取值范围为.
(2)由条件知: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),
即当n=2,3,…,m+1时,d满足b1≤d≤b1.
因为q∈(1,],则1
从而b1≤0,b1>0,对n=2,3,…,m+1均成立.
因此,取d=0时,|an-bn|≤b1对n=2,3,…,m+1均成立.
下面讨论数列的最大值和数列的最小值(n=2,3,…,m+1).
①当2≤n≤m时,-==,
当1<q≤2时,有qn≤qm≤2,从而n(qn-qn-1)-qn+2>0.
因此,当2≤n≤m+1时,数列单调递增,
故数列的最大值为.
②设f(x)=2x(1-x),当x>0时,f′(x)=(ln 2-1-xln 2)2x<0,
所以f(x)单调递减,从而f(x)
当2≤n≤m时,=≤2=f<1,
因此,当2≤n≤m+1时,数列单调递减,
故数列的最小值为.
因此,d的取值范围为.
等差数列与等比数列综合问题,常用“基本量法”求解,但有时灵活地运用性质,可使运算简便.首项和公差(公比)是等差(比)数列的两个基本量,用它们表示已知和未知是常用方法.
[对点训练]
4.(2019·江苏省高考名校联考(九))已知单调递增的等比数列{an}满足a1+a2=6,a3=8,正项数列{bn}的前n项和为Sn,且4Sn=b+2bn+1.
(1)求数列{an}的通项公式;
(2)求证:对任意实数m,数列{bn+mbn+1}都是等差数列,并求该数列的公差;
(3)设cn=dn=,
求数列{cn}的前n项和Tn,并比较Tn与dn的大小.
[解] (1)设数列{an}的公比为q,则解得(舍去),或
所以数列{an}的通项公式为an=2n.
(2)当n=1时,4b1=b+2b1+1,所以b1=1,
当n≥2时,4(Sn-Sn-1)=4bn=b+2bn+1-(b+2bn-1+1),
所以(bn+bn-1)(bn-bn-1-2)=0,
因为bn+bn-1>0,所以bn-bn-1=2,
所以数列{bn}是以1为首项,2为公差的等差数列,所以bn=2n-1.
因为bn+1+mbn+2-(bn+mbn+1)=(bn+1-bn)+m(bn+2-bn+1)=2+2m,
所以对任意实数m,数列{bn+mbn+1}都是等差数列,且该数列的公差为2+2m.
(3)因为当n≥2时,cn==-,又c1=-也符合此式,
所以cn=-,
所以Tn=(-2)+(-)+…+(-)=-2.
又dn==-2,
所以Tn-dn=-2-[-2]=,
当n<6时,<0,所以Tn
当n=6时,=0,所以Tn=dn;
当n>6时,>0,所以Tn>dn.
1.(2019·南京模拟)在等比数列{an}中,a2a6=16,a4+a8=8,则=________.
[解析] 法一:设等比数列{an}的公比为q,由a2a6=16得aq6=16,所以a1q3=±4.由a4+a8=8,得a1q3(1+q4)=8,即1+q4=±2,所以q2=1.于是=q10=1.
法二:由等比数列的性质,得a=a2a6=16,所以a4=±4,又a4+a8=8,所以或因为a=a4a8>0,所以则公比q满足q4=1,q2=1,所以=q10=1.
[答案] 1
2.(2019·宿迁模拟)若等差数列{an}满足a2+S3=4,a3+S5=12,则a4+S7的值是________.
[解析] 由S3=3a2,得a2=1,由S5=5a3,得a3=2,则a4=3,S7=7a4,则a4+S7=8a4=24.
[答案] 24
3.(2019·江苏名校高三入学摸底)已知数列{an}满足a1=2,an+1=,bn=(n∈N*),则数列{bn}的通项公式是________.
[解析] 由已知得=(n∈N*),
则=+n+(n∈N*),即bn+1-bn=n+(n∈N*),所以b2-b1=1+,b3-b2=2+,…,bn-bn-1=(n-1)+,
累加得bn-b1=1+2+3+…+(n-1)+=+=,
又b1==1,所以bn=+1=.
[答案] bn=
4.已知等比数列{an}为递增数列.若a1>0,且2(an+an+2)=5an+1,则数列{an}的公比q=________.
[解析] 因为2(an+an+2)=5an+1,
所以2an(1+q2)=5anq,
所以2(1+q2)=5q,解得q=2或q=.
因为数列为递增数列,且a1>0,所以q>1,所以q=2.
[答案] 2
5.(2019·苏锡常镇四市高三教学调研(一))中国古代著作《张丘建算经》中有这样一个问题:“今有马行转迟,次日减半疾,七日行七百里”,意思是说有一匹马行走的速度逐渐减慢,每天行走的里程是前一天的一半,七天一共行走了700里.那么这匹马最后一天行走的里程数为______.
[解析] 由题意可知,这匹马每天行走的里程数构成等比数列,设为{an},易知公比q=,则S7==2a1=a1=700,所以a1=700×,所以a7=a1q6=700××=,所以这匹马最后一天行走的里程数为.
[答案]
6.(2019·苏州市第一学期学业质量调研)设Sn是等比数列{an}的前n项和,若=,则=______.
[解析] 法一:设等比数列{an}的公比为q,若公比q为1,则=,与已知条件不符,所以公比q≠1,所以Sn=,因为=,所以=,所以q5=2,所以===.
法二:因为=,所以不妨设S5=a,S10=3a,a≠0,易知S5,S10-S5,S15-S10,S20-S15成等比数列,由S5=a,S10-S5=2a,得S15-S10=4a,S20-S15=8a,从而S20=15a,所以==.
[答案]
7.设数列{an},{bn}都是等差数列,且a1=25,b1=75,a2+b2=100,那么an+bn组成的数列的第37项的值为________.
[解析] {an},{bn}都是等差数列,则{an+bn}为等差数列,首项为a1+b1=100,
d=(a2+b2)-(a1+b1)=100-100=0,所以{an+bn}为常数数列,第37项为100.
[答案] 100
8.(2019·南京市四校第一学期联考)已知各项均为正数的等比列{an}中,a2=3,a4=27,S2n为该数列的前2n项和,Tn为数列{anan+1}的前n项和,若S2n=kTn,则实数k的值为______.
[解析] 因为各项均为正数的等比数列{an}中,a2=3,a4=27,所以a1=1,公比q=3,所以S2n==,an=3n-1.令bn=anan+1=3n-1·3n=32n-1,所以b1=3,数列{bn}为等比数列,公比q′=9,所以Tn==.因为S2n=kTn,所以=k·,解得k=.
[答案]
9.(2019·泰州市高三模拟)已知公差为2的等差数列{an}及公比为2的等比数列{bn}满足a1+b1>0,a2+b2<0,则a3+b3的取值范围是________.
[解析] 法一:由题意可得,该不等式组在平面直角坐标系a1Ob1中表示的平面区域如图中阴影部分所示,则当a3+b3=a1+4+4b1经过点(2,-2)时取得最大值-2,则a3+b3<-2.
法二:由题意可得,则a3+b3=a1+4+4b1=-2(a1+b1)+3(a1+2b1)+4<-2,故a3+b3的取值范围是(-∞,-2).
[答案] (-∞,-2)
10.在数列{an}中,n∈N*,若=k(k为常数),则称{an}为“等差比数列”,下列是对“等差比数列”的判断:
①k不可能为0;
②等差数列一定是“等差比数列”;
③等比数列一定是“等差比数列”;
④“等差比数列”中可以有无数项为0.
其中所有正确判断的序号是________.
[解析] 由等差比数列的定义可知,k不为0,所以①正确,当等差数列的公差为0,即等差数列为常数列时,等差数列不是等差比数列,所以②错误;当{an}是等比数列,且公比q=1时,{an}不是等差比数列,所以③错误;数列0,1,0,1,…是等差比数列,该数列中有无数多个0,所以④正确.
[答案] ①④
11.(2019·宝鸡模拟)已知数列{an}满足a1=5,a2=5,an+1=an+6an-1(n≥2).
(1)求证:{an+1+2an}是等比数列;
(2)求数列{an}的通项公式.
[解] (1)证明:因为an+1=an+6an-1(n≥2),
所以an+1+2an=3an+6an-1=3(an+2an-1)(n≥2).
又a1=5,a2=5,所以a2+2a1=15,
所以an+2an-1≠0(n≥2),
所以=3(n≥2),
所以数列{an+1+2an}是以15为首项,3为公比的等比数列.
(2)由(1)得an+1+2an=15×3n-1=5×3n,
则an+1=-2an+5×3n,
所以an+1-3n+1=-2(an-3n).
又因为a1-3=2,所以an-3n≠0,
所以{an-3n}是以2为首项,-2为公比的等比数列.
所以an-3n=2×(-2)n-1,
即an=2×(-2)n-1+3n(n∈N*).
12.(2019·苏州市高三模拟)已知数列{an}满足:a1=,an+1-an=p·3n-1-nq,n∈N*,p,q∈R.
(1)若q=0,且数列{an}为等比数列,求p的值;
(2)若p=1,且a4为数列{an}的最小项,求q的取值范围.
[解] (1)因为q=0,an+1-an=p·3n-1,
所以a2=a1+p=+p,a3=a2+3p=+4p.
由数列{an}为等比数列,得=,解得p=0或p=1.
当p=0时,an+1=an,所以an=,符合题意;
当p=1时,an+1-an=3n-1,
所以an=a1+(a2-a1)+(a3-a2)+…+(an-an-1)
=+(1+3+…+3n-2)=+=·3n-1,
所以=3.符合题意.
所以p的值为0或1.
(2)因为p=1,所以an+1-an=3n-1-nq,
又a4为数列{an}的最小项,
所以,即,所以3≤q≤.
此时a2-a1=1-q<0,a3-a2=3-2q<0,
所以a1>a2>a3≥a4.
当n≥4时,令bn=an+1-an,bn+1-bn=2·3n-1-q≥2·34-1->0,
所以bn+1>bn,所以0≤b4
即a4≤a5
综上所述,当3≤q≤时,a4为数列{an}的最小项,
即所求q的取值范围为.
13.已知数列{an},对于任意n≥2,在an-1与an之间插入n个数,构成的新数列{bn}成等差数列,并记在an-1与an之间插入的这n个数的均值为Cn-1.
(1)若an=,求C1,C2,C3;
(2)在(1)的条件下是否存在常数λ,使{Cn+1-λCn}是等差数列?如果存在,求出满足条件的λ,如果不存在,请说明理由.
[解] (1)由题意a1=-2,a2=1,a3=5,a4=10,
所以在a1与a2之间插入-1,0,C1=-.
在a2与a3之间插入2,3,4,C2=3.
在a3与a4之间插入6,7,8,9,C3=.
(2)在an-1与an之间插入n个数构成等差数列,d==1,
所以Cn-1===.
假设存在λ使得{Cn+1-λCn}是等差数列.
所以(Cn+1-λCn)-(Cn-λCn-1)
=Cn+1-Cn-λ(Cn-Cn-1)
=-λ·
=(1-λ)n+-λ=常数,所以λ=1.
即λ=1时,{Cn+1-λCn}是等差数列.
14.(2019·无锡期中检测)在等差数列{an}中,a1=3,其前n项和为Sn,等比数列{bn}的各项均为正数,b1=1,其前n项和为Tn,且b2+S2=11,2S3=9b3.
(1)求数列{an}和数列{bn}的通项公式;
(2)问是否存在正整数m,n,r,使得Tn=am+r·bn成立?如果存在,请求出m,n,r的关系式;如果不存在,请说明理由.
[解] (1)设等差数列{an}的公差为d,等比数列{bn}的公比为q(q>0),则
解得d=3,q=2.
所以an=3n,bn=2n-1.
(2)因为Tn=1+2+…+2n-1=2n-1,
所以有2n-1=3m+r·2n-1.(*)
若r≥2,则r·2n-1>2n-1,(*)不成立,
所以r=1,m=.
若n为奇数,①当n=1时,m=0,不成立,
②当n>1时,设n=2t+1,t∈N*,
则m===∈Z;
若n为偶数,设n=2t,t∈N*,
则m====2·+,
因为∈Z,所以m∉Z.
综上所述,存在正整数m,n,r,使得Tn=am+r·bn成立,此时n为大于1的奇数,r=1,且m=.
第1讲 等差数列与等比数列
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1.等差数列与等比数列基本量的运算
第8题
第9题
数列是江苏高考考查的热点.考查的重点是等差、等比数列的基础知识、基本技能、基本思想方法.一般有两道题,一道填空题,一道解答题.在填空题中,突出了“小、巧、活”的特点,属中高档题,解答题主要与函数、方程、推理证明等知识综合考查,属中等难度以上的试题,甚至是难题,多为压轴题.
2.等差数列与等比数列的综合运用
第20题
第20题
1.必记的概念与定理
(1)an与Sn的关系
Sn=a1+a2+…+an,an=
(2)等差数列和等比数列
等差数列
等比数列
定义
an-an-1=常数(n≥2)
=常数(n≥2)
通项公式
an=a1+(n-1)d
an=a1qn-1(q≠0)
判定方法
(1)定义法
(2)中项公式法:2an+1=an+an+2(n≥1,n∈N*)⇔{an}为等差数列
(3)通项公式法:an=pn+q(p、q为常数)⇔{an}为等差数列
(4)前n项和公式法:Sn=An2+Bn(A、B为常数)⇔{an}为等差数列
(1)定义法
(2)中项公式法:a=an·an+2(n≥1,n∈N*)(an≠0) ⇔{an}为等比数列
(3)通项公式法:an=c·qn(c、q均是不为0的常数)⇔{an}为等比数列
判定方法
(5){an}为等比数列,an>0⇔{logban}为等差数列
(4){an}为等差数列⇔{ban}为等比数列(b>0且b≠1)
2.记住几个常用的公式与结论
(1)等差数列的性质
①在等差数列{an}中,an=am+(n-m)d,d=;
②当公差d≠0时,等差数列{an}的通项公式an=a1+(n-1)d=dn+a1-d是关于n的一次函数,且斜率为公差d;前n项和Sn=na1+d=n2+(a1-)n是关于n的常数项为0的二次函数.
③若公差d>0,则数列为递增等差数列,若公差d<0,则数列为递减等差数列,若公差d=0,则数列为常数列.
④当m+n=p+q时,则有am+an=ap+aq,特别地,当m+n=2p时,则有am+an=2ap.
⑤若{an}是等差数列,Sn,S2n-Sn,S3n-S2n,…也成等差数列.
⑥在等差数列{an}中,当项数为偶数2n时,S偶-S奇=nd;项数为奇数2n-1时,S奇-S偶=a中,S2n-1=(2n-1)·a中(这里a中即an),S奇∶S偶=n∶(n-1).
⑦若等差数列{an}、{bn}的前n项和分别为An、Bn,且=f(n),则===f(2n-1).
⑧“首正”的递减等差数列中,前n项和的最大值是所有非负项之和;“首负”的递增等差数列中,前n项和的最小值是所有非正项之和.法一:由不等式组(或)确定出前多少项为非负(或非正);法二:因等差数列前n项和是关于n的二次函数,故可转化为求二次函数的最值,但要注意数列的特殊性n∈N*.
⑨如果两等差数列有公共项,那么由它们的公共项顺次组成的新数列也是等差数列,且新等差数列的公差是原两等差数列公差的最小公倍数.
(2)等比数列的性质
①在等比数列{an}中,an=amqn-m,q=;
②当m+n=p+q时,则有am·an=ap·aq,特别地,当m+n=2p时,则有am·an=a.
③若{an}是等比数列,且公比q≠-1,则数列Sn ,S2n-Sn,S3n-S2n,…也是等比数列.
当q=-1,且n为偶数时,数列Sn ,S2n-Sn,S3n-S2n,…是常数列{0,0,0,…},它不是等比数列.
④若a1>0,q>1,则{an}为递增数列;若a1<0,q>1, 则{an}为递减数列;若a1>0,0 3.需要关注的易错易混点
(1)用定义证明等差数列时,常采用的两个式子an+1-an=d和an-an-1=d,但它们的意义不同,后者必须加上“n≥2”,否则n=1时,a0无定义.
(2)从等比数列的定义看,等比数列的任意项都是非零的,公比q也是非零常数.
(3)由an+1=qan,q≠0并不能立即断言{an}为等比数列,还要验证a1≠0.
等差数列与等比数列基本量的运算
[典型例题]
(1)(2019·高考江苏卷)已知数列{an}(n∈N*)是等差数列,Sn是其前n项和.若a2a5+a8=0,S9=27,则S8的值是________.
(2)(2019·苏北三市高三模拟)在公比为q且各项均为正数的等比数列{an}中,Sn为{an}的前n项和.若a1=,且S5=S2+2,则q的值为________.
【解析】 (1)通解:设等差数列{an}的公差为d,则a2a5+a8=(a1+d)(a1+4d)+a1+7d=a+4d2+5a1d+a1+7d=0,S9=9a1+36d=27,解得a1=-5,d=2,则S8=8a1+28d=-40+56=16.
优解:设等差数列{an}的公差为d.S9==9a5=27,a5=3,又a2a5+a8=0,则3(3-3d)+3+3d=0,得d=2,则S8==4(a4+a5)=4(1+3)=16.
(2)由题意得,a3+a4+a5=2,又a1=,所以1+q+q2=2,即q2+q-1=0,所以q=,又q>0,所以q=.
【答案】 (1)16 (2)
(1)等差(比)数列的通项公式及前n项和公式共涉及五个量a1,an,d(q),n,Sn,知道其中三个就能求另外两个,体现了用方程组解决问题的思想.
(2)数列的通项公式和前n项和公式在解题中起到变量代换的作用,而a1和d(q)是等差(比)数列的两个基本量,用它们表示已知量和未知量是常用方法.
[对点训练]
1.(2019·江苏省高考名校联考(一))设Sn为数列{an}的前n项和,若数列{an}与数列(t<-1)分别是公比为q,q′的等比数列,则q+q′的取值范围为________.
[解析] 若q=1,则+t=n+t,不成等比数列,故q≠1,则+t=+t,考虑前三项1+t,+t,+t成等比数列得,t=,反之,当t=时,+t=成等比数列,此时,公比为,即q′=.由t<-1,得<-1,q>1,q+q′=q+>2,故q+q′的取值范围是(2,+∞).
[答案] (2,+∞)
2.(2019·苏州市高三调研)已知{an}是等差数列,a5=15,a10=-10,记数列{an}的第n项到第n+5项的和为Tn,则|Tn|取得最小值时的n的值为________.
[解析] 由得,从而等差数列{an}的通项公式为an=40-5n,得Tn=(40-5n)+…+(15-5n)=165-30n,因为|Tn|≥0,又n∈N*,
故当n=5或6时,|Tn|取得最小值15.
[答案] 5或6
等差、等比数列的判断与证明
[典型例题]
(2019·江苏名校联考信息卷)已知数列{an}的各项均为正数,其前n项和为Sn,且对任意的m,n∈N*,都有(Sm+n+S1)2=4a2ma2n.
(1)求的值;
(2)求证:{an}为等比数列.
【解】 (1)由(Sm+n+S1)2=4a2na2m,
得(S2+S1)2=4a,
即(a2+2a1)2=4a.
因为a1>0,a2>0,
所以a2+2a1=2a2,即=2.
(2)证明:法一:令m=1,n=2,得(S3+S1)2=4a2a4,
即(2a1+a2+a3)2=4a2a4,
令m=n=2,得S4+S1=2a4,
即2a1+a2+a3=a4.
又=2,所以a4=4a2=8a1,a3=4a1.
由(Sm+n+S1)2=4a2na2m,
得(Sn+1+S1)2=4a2na2,(Sn+2+S1)2=4a2na4.
两式相除,得=,
所以==2,
即Sn+2+S1=2(Sn+1+S1),
从而Sn+3+S1=2(Sn+2+S1).
以上两式相减,
得an+3=2an+2,
故当n≥3时,{an}是公比为2的等比数列.
又a3=2a2=4a1,
从而an=a1·2n-1,n∈N*.
显然,an=a1·2n-1满足题设,
因此{an}是首项为a1,公比为2的等比数列.
法二:在(Sm+n+S1)2=4a2na2m中,
令m=n,得S2n+S1=2a2n.①
令m=n+1,得S2n+1+S1=2,②
在①中,用n+1代替n得,S2n+2+S1=2a2n+2.③
②-①,得a2n+1=2-2a2n=2(-),④
③-②,得a2n+2=2a2n+2-2=2·(-),⑤
由④⑤得a2n+1=.⑥
将⑥代入④,得a2n+1=2a2n,
将⑥代入⑤得a2n+2=2a2n+1,
所以==2.
又=2,从而an=a1·2n-1,n∈N*.
显然an=a1·2n-1满足题设.
因此{an}是首项为a1,公比为2的等比数列.
递推数列问题常见的处理方法
(1)将第n项和第n+1项合并在一起,看是否是一个特殊数列;若递推关系式含有an与Sn,则考虑是否可以将an与Sn进行统一.
(2)根据递推关系式的结构特征确定是否为熟悉的、有固定方法的递推关系式向通项公式的转换类型,否则可以写出数列的前几项,看能否找到规律,即先特殊、后一般、再特殊.
[对点训练]
3.设Sn为数列{an}的前n项和,对任意的n∈N*,都有Sn=2-an,数列{bn}满足b1=2a1,bn=(n≥2,n∈N*).
(1)求证:数列{an}是等比数列,并求{an}的通项公式;
(2)判断数列{}是等差数列还是等比数列,并求数列{bn}的通项公式.
[解] (1)当n=1时,a1=S1=2-a1,解得a1=1;
当n≥2时,an=Sn-Sn-1=an-1-an,
即=(n≥2,n∈N*).
所以数列{an}是首项为1,公比为的等比数列,
故数列{an}的通项公式为an=.
(2)因为a1=1,所以b1=2a1=2.
因为bn=,
所以=+1,
即-=1(n≥2).
所以数列{}是首项为,公差为1的等差数列.
所以=+(n-1)·1=,故数列{bn}的通项公式为bn=.
等差数列与等比数列的综合运用
[典型例题]
(2018·高考江苏卷)设{an}是首项为a1,公差为d的等差数列,{bn}是首项为b1,公比为q的等比数列.
(1)设a1=0,b1=1,q=2,若|an-bn|≤b1对n=1,2,3,4均成立,求d的取值范围;
(2)若a1=b1>0,m∈N*,q∈(1,],证明:存在d∈R,使得|an-bn|≤b1对n=2,3,…,m+1均成立,并求d的取值范围(用b1,m,q表示).
【解】 (1)由条件知:an=(n-1)d,bn=2n-1,
因为|an-bn|≤b1对n=1,2,3,4均成立,
即|(n-1)d-2n-1|≤1对n=1,2,3,4均成立,
即1≤1,1≤d≤3,3≤2d≤5,7≤3d≤9,得≤d≤,
因此,d的取值范围为.
(2)由条件知: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),
即当n=2,3,…,m+1时,d满足b1≤d≤b1.
因为q∈(1,],则1
因此,取d=0时,|an-bn|≤b1对n=2,3,…,m+1均成立.
下面讨论数列的最大值和数列的最小值(n=2,3,…,m+1).
①当2≤n≤m时,-==,
当1<q≤2时,有qn≤qm≤2,从而n(qn-qn-1)-qn+2>0.
因此,当2≤n≤m+1时,数列单调递增,
故数列的最大值为.
②设f(x)=2x(1-x),当x>0时,f′(x)=(ln 2-1-xln 2)2x<0,
所以f(x)单调递减,从而f(x)
因此,当2≤n≤m+1时,数列单调递减,
故数列的最小值为.
因此,d的取值范围为.
等差数列与等比数列综合问题,常用“基本量法”求解,但有时灵活地运用性质,可使运算简便.首项和公差(公比)是等差(比)数列的两个基本量,用它们表示已知和未知是常用方法.
[对点训练]
4.(2019·江苏省高考名校联考(九))已知单调递增的等比数列{an}满足a1+a2=6,a3=8,正项数列{bn}的前n项和为Sn,且4Sn=b+2bn+1.
(1)求数列{an}的通项公式;
(2)求证:对任意实数m,数列{bn+mbn+1}都是等差数列,并求该数列的公差;
(3)设cn=dn=,
求数列{cn}的前n项和Tn,并比较Tn与dn的大小.
[解] (1)设数列{an}的公比为q,则解得(舍去),或
所以数列{an}的通项公式为an=2n.
(2)当n=1时,4b1=b+2b1+1,所以b1=1,
当n≥2时,4(Sn-Sn-1)=4bn=b+2bn+1-(b+2bn-1+1),
所以(bn+bn-1)(bn-bn-1-2)=0,
因为bn+bn-1>0,所以bn-bn-1=2,
所以数列{bn}是以1为首项,2为公差的等差数列,所以bn=2n-1.
因为bn+1+mbn+2-(bn+mbn+1)=(bn+1-bn)+m(bn+2-bn+1)=2+2m,
所以对任意实数m,数列{bn+mbn+1}都是等差数列,且该数列的公差为2+2m.
(3)因为当n≥2时,cn==-,又c1=-也符合此式,
所以cn=-,
所以Tn=(-2)+(-)+…+(-)=-2.
又dn==-2,
所以Tn-dn=-2-[-2]=,
当n<6时,<0,所以Tn
当n>6时,>0,所以Tn>dn.
1.(2019·南京模拟)在等比数列{an}中,a2a6=16,a4+a8=8,则=________.
[解析] 法一:设等比数列{an}的公比为q,由a2a6=16得aq6=16,所以a1q3=±4.由a4+a8=8,得a1q3(1+q4)=8,即1+q4=±2,所以q2=1.于是=q10=1.
法二:由等比数列的性质,得a=a2a6=16,所以a4=±4,又a4+a8=8,所以或因为a=a4a8>0,所以则公比q满足q4=1,q2=1,所以=q10=1.
[答案] 1
2.(2019·宿迁模拟)若等差数列{an}满足a2+S3=4,a3+S5=12,则a4+S7的值是________.
[解析] 由S3=3a2,得a2=1,由S5=5a3,得a3=2,则a4=3,S7=7a4,则a4+S7=8a4=24.
[答案] 24
3.(2019·江苏名校高三入学摸底)已知数列{an}满足a1=2,an+1=,bn=(n∈N*),则数列{bn}的通项公式是________.
[解析] 由已知得=(n∈N*),
则=+n+(n∈N*),即bn+1-bn=n+(n∈N*),所以b2-b1=1+,b3-b2=2+,…,bn-bn-1=(n-1)+,
累加得bn-b1=1+2+3+…+(n-1)+=+=,
又b1==1,所以bn=+1=.
[答案] bn=
4.已知等比数列{an}为递增数列.若a1>0,且2(an+an+2)=5an+1,则数列{an}的公比q=________.
[解析] 因为2(an+an+2)=5an+1,
所以2an(1+q2)=5anq,
所以2(1+q2)=5q,解得q=2或q=.
因为数列为递增数列,且a1>0,所以q>1,所以q=2.
[答案] 2
5.(2019·苏锡常镇四市高三教学调研(一))中国古代著作《张丘建算经》中有这样一个问题:“今有马行转迟,次日减半疾,七日行七百里”,意思是说有一匹马行走的速度逐渐减慢,每天行走的里程是前一天的一半,七天一共行走了700里.那么这匹马最后一天行走的里程数为______.
[解析] 由题意可知,这匹马每天行走的里程数构成等比数列,设为{an},易知公比q=,则S7==2a1=a1=700,所以a1=700×,所以a7=a1q6=700××=,所以这匹马最后一天行走的里程数为.
[答案]
6.(2019·苏州市第一学期学业质量调研)设Sn是等比数列{an}的前n项和,若=,则=______.
[解析] 法一:设等比数列{an}的公比为q,若公比q为1,则=,与已知条件不符,所以公比q≠1,所以Sn=,因为=,所以=,所以q5=2,所以===.
法二:因为=,所以不妨设S5=a,S10=3a,a≠0,易知S5,S10-S5,S15-S10,S20-S15成等比数列,由S5=a,S10-S5=2a,得S15-S10=4a,S20-S15=8a,从而S20=15a,所以==.
[答案]
7.设数列{an},{bn}都是等差数列,且a1=25,b1=75,a2+b2=100,那么an+bn组成的数列的第37项的值为________.
[解析] {an},{bn}都是等差数列,则{an+bn}为等差数列,首项为a1+b1=100,
d=(a2+b2)-(a1+b1)=100-100=0,所以{an+bn}为常数数列,第37项为100.
[答案] 100
8.(2019·南京市四校第一学期联考)已知各项均为正数的等比列{an}中,a2=3,a4=27,S2n为该数列的前2n项和,Tn为数列{anan+1}的前n项和,若S2n=kTn,则实数k的值为______.
[解析] 因为各项均为正数的等比数列{an}中,a2=3,a4=27,所以a1=1,公比q=3,所以S2n==,an=3n-1.令bn=anan+1=3n-1·3n=32n-1,所以b1=3,数列{bn}为等比数列,公比q′=9,所以Tn==.因为S2n=kTn,所以=k·,解得k=.
[答案]
9.(2019·泰州市高三模拟)已知公差为2的等差数列{an}及公比为2的等比数列{bn}满足a1+b1>0,a2+b2<0,则a3+b3的取值范围是________.
[解析] 法一:由题意可得,该不等式组在平面直角坐标系a1Ob1中表示的平面区域如图中阴影部分所示,则当a3+b3=a1+4+4b1经过点(2,-2)时取得最大值-2,则a3+b3<-2.
法二:由题意可得,则a3+b3=a1+4+4b1=-2(a1+b1)+3(a1+2b1)+4<-2,故a3+b3的取值范围是(-∞,-2).
[答案] (-∞,-2)
10.在数列{an}中,n∈N*,若=k(k为常数),则称{an}为“等差比数列”,下列是对“等差比数列”的判断:
①k不可能为0;
②等差数列一定是“等差比数列”;
③等比数列一定是“等差比数列”;
④“等差比数列”中可以有无数项为0.
其中所有正确判断的序号是________.
[解析] 由等差比数列的定义可知,k不为0,所以①正确,当等差数列的公差为0,即等差数列为常数列时,等差数列不是等差比数列,所以②错误;当{an}是等比数列,且公比q=1时,{an}不是等差比数列,所以③错误;数列0,1,0,1,…是等差比数列,该数列中有无数多个0,所以④正确.
[答案] ①④
11.(2019·宝鸡模拟)已知数列{an}满足a1=5,a2=5,an+1=an+6an-1(n≥2).
(1)求证:{an+1+2an}是等比数列;
(2)求数列{an}的通项公式.
[解] (1)证明:因为an+1=an+6an-1(n≥2),
所以an+1+2an=3an+6an-1=3(an+2an-1)(n≥2).
又a1=5,a2=5,所以a2+2a1=15,
所以an+2an-1≠0(n≥2),
所以=3(n≥2),
所以数列{an+1+2an}是以15为首项,3为公比的等比数列.
(2)由(1)得an+1+2an=15×3n-1=5×3n,
则an+1=-2an+5×3n,
所以an+1-3n+1=-2(an-3n).
又因为a1-3=2,所以an-3n≠0,
所以{an-3n}是以2为首项,-2为公比的等比数列.
所以an-3n=2×(-2)n-1,
即an=2×(-2)n-1+3n(n∈N*).
12.(2019·苏州市高三模拟)已知数列{an}满足:a1=,an+1-an=p·3n-1-nq,n∈N*,p,q∈R.
(1)若q=0,且数列{an}为等比数列,求p的值;
(2)若p=1,且a4为数列{an}的最小项,求q的取值范围.
[解] (1)因为q=0,an+1-an=p·3n-1,
所以a2=a1+p=+p,a3=a2+3p=+4p.
由数列{an}为等比数列,得=,解得p=0或p=1.
当p=0时,an+1=an,所以an=,符合题意;
当p=1时,an+1-an=3n-1,
所以an=a1+(a2-a1)+(a3-a2)+…+(an-an-1)
=+(1+3+…+3n-2)=+=·3n-1,
所以=3.符合题意.
所以p的值为0或1.
(2)因为p=1,所以an+1-an=3n-1-nq,
又a4为数列{an}的最小项,
所以,即,所以3≤q≤.
此时a2-a1=1-q<0,a3-a2=3-2q<0,
所以a1>a2>a3≥a4.
当n≥4时,令bn=an+1-an,bn+1-bn=2·3n-1-q≥2·34-1->0,
所以bn+1>bn,所以0≤b4
即所求q的取值范围为.
13.已知数列{an},对于任意n≥2,在an-1与an之间插入n个数,构成的新数列{bn}成等差数列,并记在an-1与an之间插入的这n个数的均值为Cn-1.
(1)若an=,求C1,C2,C3;
(2)在(1)的条件下是否存在常数λ,使{Cn+1-λCn}是等差数列?如果存在,求出满足条件的λ,如果不存在,请说明理由.
[解] (1)由题意a1=-2,a2=1,a3=5,a4=10,
所以在a1与a2之间插入-1,0,C1=-.
在a2与a3之间插入2,3,4,C2=3.
在a3与a4之间插入6,7,8,9,C3=.
(2)在an-1与an之间插入n个数构成等差数列,d==1,
所以Cn-1===.
假设存在λ使得{Cn+1-λCn}是等差数列.
所以(Cn+1-λCn)-(Cn-λCn-1)
=Cn+1-Cn-λ(Cn-Cn-1)
=-λ·
=(1-λ)n+-λ=常数,所以λ=1.
即λ=1时,{Cn+1-λCn}是等差数列.
14.(2019·无锡期中检测)在等差数列{an}中,a1=3,其前n项和为Sn,等比数列{bn}的各项均为正数,b1=1,其前n项和为Tn,且b2+S2=11,2S3=9b3.
(1)求数列{an}和数列{bn}的通项公式;
(2)问是否存在正整数m,n,r,使得Tn=am+r·bn成立?如果存在,请求出m,n,r的关系式;如果不存在,请说明理由.
[解] (1)设等差数列{an}的公差为d,等比数列{bn}的公比为q(q>0),则
解得d=3,q=2.
所以an=3n,bn=2n-1.
(2)因为Tn=1+2+…+2n-1=2n-1,
所以有2n-1=3m+r·2n-1.(*)
若r≥2,则r·2n-1>2n-1,(*)不成立,
所以r=1,m=.
若n为奇数,①当n=1时,m=0,不成立,
②当n>1时,设n=2t+1,t∈N*,
则m===∈Z;
若n为偶数,设n=2t,t∈N*,
则m====2·+,
因为∈Z,所以m∉Z.
综上所述,存在正整数m,n,r,使得Tn=am+r·bn成立,此时n为大于1的奇数,r=1,且m=.
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