2022年高考三轮复习之回归基础练第15练 数列求和问题
展开考点一 公式法、分组求和
要点重组
1.一些特殊数列的前n项和
(1)1+2+3+…+n=eq \f(1,2)n(n+1).
(2)1+3+5+…+(2n-1)=n2.
(3)12+22+32+…+n2=eq \f(1,6)n(n+1)(2n+1).
(4)13+23+33+…+n3=eq \f(1,4)n2(n+1)2.
2.若一个数列由两个或多个等差、等比数列的和差形式组成,或这个数列可以分解成两个或多个等差、等比数列的和差形式,则可以根据数列的结构对原数列求和式的各部分进行重新组合,进而使用等差数列、等比数列的求和公式进行求和.解题的关键是观察结构、巧分组.
1.(2020·山东济南外国语学校模拟)已知等差数列{an}的公差为2,a2,a3,a6成等比数列,则{an}的前n项和Sn等于( )
A.n(n-2) B.n(n-1)
C.n(n+1) D.n(n+2)
答案 A
解析 ∵等差数列{an}的公差为2,a2,a3,a6成等比数列,
∴aeq \\al(2,3)=a2·a6,∴(a1+4)2=(a1+2)(a1+10),
解得a1=-1,
∴{an}的前n项和Sn=n×(-1)+eq \f(nn-1,2)×2=-n+n2-n=n2-2n=n(n-2).
2.(2020·广州模拟)设数列{an}的前n项和为Sn,且a1=2,an+an+1=2n(n∈N*),则S2 020等于( )
A.eq \f(22 020-2,3) B.eq \f(22 020+2,3)
C.eq \f(22 021-2,3) D.eq \f(22 021+2,3)
答案 C
解析 由题意,可知S2 020=a1+a2+…+a2 020
=(a1+a2)+(a3+a4)+…+(a2 019+a2 020)
=21+23+…+22 019
=eq \f(21[1-221 010],1-22)
=eq \f(22 021-2,3).
3.已知数列{an}的各项均为正数,其前n项和Sn满足4Sn=aeq \\al(2,n)+2an,n∈N*.设bn=(-1)n·anan+1,Tn为数列{bn}的前n项和,则T2n=________.
答案 8n(n+1)
解析 数列{an}的各项均为正数,
其前n项和Sn满足4Sn=aeq \\al(2,n)+2an,n∈N*.
可得n=1时,4a1=4S1=aeq \\al(2,1)+2a1,解得a1=2,
当n≥2时,4Sn-1=aeq \\al(2,n-1)+2an-1,
又4Sn=aeq \\al(2,n)+2an,
相减可得4an=aeq \\al(2,n)+2an-aeq \\al(2,n-1)-2an-1,
化为(an+an-1)(an-an-1-2)=0,
由an>0,可得an-an-1=2,
所以{an}是以2为首项,2为公差的等差数列.
则an=2+2(n-1)=2n,
bn=(-1)n·anan+1=(-1)n·4n(n+1),
可得T2n=4[-1×2+2×3-3×4+4×5-5×6+6×7-…-(2n-1)·2n+2n(2n+1)]
=4(2×2+2×4+2×6+…+2×2n)
=8×eq \f(1,2)n(2+2n)
=8n(n+1).
4.已知{an}是等差数列,{bn}是等比数列,且b2=3,b3=9,a1=b1,a14=b4.
(1)求{an}的通项公式;
(2)设cn=an+bn,求数列{cn}的前n项和Sn.
解 (1)设等差数列{an}的公差为d,等比数列{bn}的公比为q,
因为b2=3,b3=9,可得q=eq \f(b3,b2)=3,
所以bn=b2qn-2=3·3n-2=3n-1,
又由a1=b1=1,a14=b4=27,
所以d=eq \f(a14-a1,14-1)=2,
所以数列{an}的通项公式为
an=a1+(n-1)×d=1+2(n-1)=2n-1.
(2)由题意知cn=an+bn=(2n-1)+3n-1,
则数列{cn}的前n项和为
Sn=[1+3+…+(2n-1)]+(1+3+9+…+3n-1)
=eq \f(n1+2n-1,2)+eq \f(1-3n,1-3)=n2+eq \f(3n-1,2).
考点二 裂项相消法求和
要点重组 常见的拆项公式(其中n∈N*)
1.eq \f(1,nn+1)=eq \f(1,n)-eq \f(1,n+1).
2.eq \f(1,nn+k)=eq \f(1,k)eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(1,n)-\f(1,n+k))).
3.eq \f(1,2n-12n+1)=eq \f(1,2)eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(1,2n-1)-\f(1,2n+1))).
4.eq \f(1,nn+1n+2)=eq \f(1,2)eq \b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\c1(\f(1,nn+1)-\f(1,n+1n+2))).
5.eq \f(1,\r(n)+\r(n+1))=eq \r(n+1)-eq \r(n).
6.eq \f(2n,2n+12n+1+1)=eq \f(1,2n+1)-eq \f(1,2n+1+1) .
5.(2020·重庆质检)数列{an}满足a1=2,an+1=an+2n+2,则eq \f(1,a1)+eq \f(1,a2)+…+eq \f(1,a20)等于( )
A.eq \f(19,10) B.eq \f(19,20)
C.eq \f(10,21) D.eq \f(20,21)
答案 D
解析 数列{an}满足a1=2,an+1=an+2n+2,
即an+1-an=2(n+1),
所以当n≥2时,
an=a1+(a2-a1)+(a3-a2)+…+(an-an-1)=2+2×2+2×3+…+2n=n(n+1).
因为a1=2满足an=n(n+1),所以an=n(n+1).
则eq \f(1,an)=eq \f(1,nn+1)=eq \f(1,n)-eq \f(1,n+1),
所以eq \f(1,a1)+eq \f(1,a2)+…+eq \f(1,a20)=eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(1-\f(1,2)))+eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(1,2)-\f(1,3)))+…+eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(1,20)-\f(1,21)))=1-eq \f(1,21)=eq \f(20,21).
6.(多选)已知数列{an}的前n项和为Sn,a1=1,Sn+1=Sn+2an+1,数列eq \b\lc\{\rc\}(\a\vs4\al\c1(\f(2n,anan+1)))的前n项和为Tn,n∈N*,则下列选项正确的为( )
A.数列{an+1}是等差数列
B.数列{an+1}是等比数列
C.数列{an}的通项公式为an=2n-1
D.Tn<1
答案 BCD
解析 由Sn+1=Sn+2an+1,得an+1=Sn+1-Sn=2an+1,可化为an+1+1=2(an+1).由a1=1,得a1+1=2,则数列{an+1}是首项为2,公比为2的等比数列.则an+1=2n,即an=2n-1.由eq \f(2n,anan+1)=eq \f(2n,2n-12n+1-1)=eq \f(1,2n-1)-eq \f(1,2n+1-1),得Tn=1-eq \f(1,22-1)+eq \f(1,22-1)-eq \f(1,23-1)+…+eq \f(1,2n-1)-eq \f(1,2n+1-1)=1-eq \f(1,2n+1-1)<1.所以A错误,B,C,D均正确.故选BCD.
7.(2020·长沙模拟)已知正项数列{an}中,a1=1,a2=eq \r(3),aeq \\al(2,n+1)-aeq \\al(2,n)=aeq \\al(2,n)-aeq \\al(2,n-1)(n≥2),则数列eq \b\lc\{\rc\}(\a\vs4\al\c1(\f(1,an+an+1)))的前60项和为________.
答案 5
解析 由条件可知,数列{aeq \\al(2,n)}是首项为aeq \\al(2,1)=1,公差为aeq \\al(2,2)-aeq \\al(2,1)=3-1=2的等差数列,
所以aeq \\al(2,n)=1+2(n-1)=2n-1,
又an>0,所以an=eq \r(2n-1),
所以eq \f(1,an+an+1)=eq \f(1,\r(2n-1)+\r(2n+1))
=eq \f(1,2)eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\r(2n+1)-\r(2n-1))),
所以数列eq \b\lc\{\rc\}(\a\vs4\al\c1(\f(1,an+an+1)))的前n项和
Sn=eq \f(1,2)(eq \r(3)-1)+eq \f(1,2)(eq \r(5)-eq \r(3))+…+eq \f(1,2)(eq \r(2n+1)-eq \r(2n-1))=eq \f(1,2)(eq \r(2n+1)-1),
所以S60=eq \f(1,2)(eq \r(121)-1)=5.
8.已知等差数列{an}的前n项和为Sn,{bn}是各项均为正数的等比数列,a1=b4,________,b2=8,b1-3b3=4,是否存在正整数k,使得数列eq \b\lc\{\rc\}(\a\vs4\al\c1(\f(1,Sn)))的前k项和Tk>eq \f(15,16),若存在,求出k的最小值;若不存在,请说明理由.
从①S4=20,②S3=2a3,③3a3-a4=b2这三个条件中任选一个,填到上面横线上并作答.
(注:如果选择多个条件分别解答,那么按第一个解答计分)
解 设等比数列{bn}的公比为q(q>0),则b1=eq \f(8,q),b3=8q,于是eq \f(8,q)-3×8q=4,
即6q2+q-2=0,解得q=eq \f(1,2)或q=-eq \f(2,3)(舍去).
设等差数列{an}的公差为d.
若选①,则a1=b4=2,S4=4a1+eq \f(4×3,2)d=20,解得d=2.
所以Sn=2n+eq \f(nn-1,2)×2=n2+n,
则eq \f(1,Sn)=eq \f(1,nn+1)=eq \f(1,n)-eq \f(1,n+1).
于是Tk=eq \f(1,S1)+eq \f(1,S2)+…+eq \f(1,Sk)=eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(1-\f(1,2)))+eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(1,2)-\f(1,3)))+…+eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(1,k)-\f(1,k+1)))=1-eq \f(1,k+1).
令1-eq \f(1,k+1)>eq \f(15,16),解得k>15.
因为k为正整数,所以k的最小值为16.
若选②,则a1=b4=2,S3=3a1+eq \f(3×2,2)d=2(a1+2d),
解得d=2.
下同①.
若选③,则a1=b4=2,3(a1+2d)-(a1+3d)=8,解得d=eq \f(4,3).
所以Sn=2n+eq \f(nn-1,2)×eq \f(4,3)=eq \f(2,3)n2+eq \f(4,3)n,
则eq \f(1,Sn)=eq \f(3,2)×eq \f(1,nn+2)=eq \f(3,4)eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(1,n)-\f(1,n+2))).
于是Tk=eq \f(3,4)eq \b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\c1(\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(1-\f(1,3)))+\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(1,2)-\f(1,4)))+…+\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(1,k-1)-\f(1,k+1)))+(\f(1,k)-\f(1,k+2))))
=eq \f(3,4)eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(1+\f(1,2)-\f(1,k+1)-\f(1,k+2)))=eq \f(9,8)-eq \f(3,4)eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(1,k+1)+\f(1,k+2))).
令Tk>eq \f(15,16),得eq \f(1,k+1)+eq \f(1,k+2)
考点三 错位相减法求和
要点重组
运用错位相减法求和时应注意的三点
1.判断模型,即判断数列{an},{bn}一个为等差数列,一个为等比数列.
2.错开位置,这样为两式相减时避免看错做准备.
3.相减时一定要注意最后一项的符号,常在此步出错.
9.(2020·福州模拟)已知数列{an}的前n项和为Sn,Sn=2n+1-2.
(1)求数列{an}的通项公式;
(2)令bn=(3n-1)an,设数列{bn}的前n项和为Tn,求Tn.
解 (1)由题意可知a1=2,当n≥2时,利用公式an=Sn-Sn-1,可得an=2n,
当n=1时上式依然成立,故an=2n(n∈N*).
(2)由(1)知bn=(3n-1)2n,则Tn=b1+b2+b3+…+bn=2×2+5×22+8×23+…+(3n-1)2n,①
2Tn=2×22+5×23+8×24+…+(3n-1)2n+1,②
①-②得,-Tn=4+3×22+3×23+…+3×2n-(3n-1)2n+1=4+3×eq \f(41-2n-1,1-2)-(3n-1)2n+1
=-8-(3n-4)2n+1,
所以Tn=8+(3n-4)2n+1.
10.(2020·福建永安一中、漳平一中联考)已知数列{an}的前n项和为Sn,且满足a1=1,nan+1=Sn+n(n+1).
(1)求数列{an}的通项公式;
(2)若bn=eq \f(an,2n),数列{bn}的前n项和为Tn,求证:Tn<3.
(1)解 ∵nan+1=Sn+n(n+1),①
∴当n≥2时,(n-1)an=Sn-1+n(n-1),②
由①-②整理可得,an+1-an=2(n≥2),
且a1=1,a2=S1+1×(1+1)=3,
∴a2-a1=2,故an+1-an=2,n∈N*.
∴数列{an}是首项为1,公差为2的等差数列,即an=2n-1.
(2)证明 由(1)知an=2n-1,∴bn=eq \f(2n-1,2n),
则Tn=eq \f(1,21)+eq \f(3,22)+eq \f(5,23)+…+eq \f(2n-3,2n-1)+eq \f(2n-1,2n),①
eq \f(1,2)Tn=eq \f(1,22)+eq \f(3,23)+eq \f(5,24)+…+eq \f(2n-3,2n)+eq \f(2n-1,2n+1),②
由①-②得,eq \f(1,2)Tn=eq \f(1,2)+2eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(1,22)+\f(1,23)+…+\f(1,2n)))-eq \f(2n-1,2n+1)
=eq \f(1,2)+2×eq \f(\f(1,4)\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(1-\f(1,2n-1))),1-\f(1,2))-eq \f(2n-1,2n+1)=eq \f(3,2)-eq \f(2n+3,2n+1),
∴Tn=3-eq \f(2n+3,2n),∴Tn<3.
1.已知数列{an}满足an+1=an-an-1(n≥2,n∈N*),a1=1,a2=2,Sn为数列{an}的前n项和,则S2 021等于( )
A.3 B.2
C.1 D.0
答案 C
解析 ∵an+1=an-an-1(n≥2,n∈N*),a1=1,a2=2,
∴a3=1,a4=-1,a5=-2,a6=-1,a7=1,a8=2,…,
故数列{an}是周期为6的周期数列,且每连续6项的和为0,
故S2 021=336×0+a2 017+a2 018+a2 019+a2 020+a2 021=a1+a2+a3+a4+a5=1.
2.(2020·永州模拟)已知数列{an}的前n项和为Sn,且a1=1,2Sn=an+1an,则S10等于( )
A.100 B.110 C.50 D.55
答案 D
解析 因为2Sn=an+1an,①
a1=1,
当n=1时,2a1=a2·a1,得a2=2,
当n≥2时,2Sn-1=anan-1,②
由①-②得2an=an(an+1-an-1),
又因为2Sn=an+1an,
可得an≠0,从而an+1-an-1=2,
当n为奇数时,数列{an}是以1为首项,2为公差的等差数列,故a2n-1=2n-1;
当n为偶数时,数列{an}是以2为首项,2为公差的等差数列,故a2n=2n;
所以当n为正整数时,an=n,
则S10=1+2+3+…+10=eq \f(10×1+10,2)=55,
故选D.
3.已知数列{an}满足a1a2a3…an=(n∈N*),且对任意n∈N*都有eq \f(1,a1)+eq \f(1,a2)+…+eq \f(1,an)
C.eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(2,3),+∞)) D.eq \b\lc\[\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(2,3),+∞))
答案 D
解析 ∵数列{an}满足a1a2a3…an=(n∈N*),
∴当n=1时,a1=2;当n≥2时,a1a2a3…an-1=,
∴当n≥2时,an==22n-1,
又当n=1时,a1=2满足上式,
∴an=22n-1,∴eq \f(1,an)=eq \f(1,22n-1),
∴数列eq \b\lc\{\rc\}(\a\vs4\al\c1(\f(1,an)))是首项为eq \f(1,2),公比为eq \f(1,4)的等比数列.
∴eq \f(1,a1)+eq \f(1,a2)+…+eq \f(1,an)=eq \f(\f(1,2)\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(1-\f(1,4n))),1-\f(1,4))=eq \f(2,3)eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(1-\f(1,4n)))
4.“垛积术”(隙积术)是由北宋科学家沈括在《梦溪笔谈》中首创,南宋数学家杨辉、元代数学家朱世杰丰富和发展的一类数列求和方法,有茭草垛、方垛、刍童垛、三角垛等.某仓库中部分货物堆放成如图所示的“茭草垛”:自上而下,第一层1件,以后每一层比上一层多1件,最后一层是n件.已知第一层货物的单价是1万元,从第二层起,货物的单价是上一层单价的eq \f(9,10).若这堆货物的总价是eq \b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\c1(100-200\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(9,10)))n))万元,则n的值为( )
A.7 B.8 C.9 D.10
答案 D
解析 由题意知,茭草垛自上而下堆放的货物件数构成一个等差数列{an},且an=n,货物单价构成一个等比数列{bn},且bn=eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(9,10)))n-1,所以每一层货物的总价为anbn=neq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(9,10)))n-1万元,所以这堆货物的总价(单位:万元)为Sn=a1b1+a2b2+a3b3+…+anbn,
所以Sn=1×1+2×eq \f(9,10)+3×eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(9,10)))2+…+(n-1)×eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(9,10)))n-2+n×eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(9,10)))n-1.
等式两边同乘eq \f(9,10),得eq \f(9,10)Sn=1×eq \f(9,10)+2×eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(9,10)))2+3×eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(9,10)))3+…+(n-1)×eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(9,10)))n-1+n×eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(9,10)))n,
两式相减,得eq \f(1,10)Sn=1+eq \f(9,10)+eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(9,10)))2+eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(9,10)))3+…+eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(9,10)))n-1-n×eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(9,10)))n=10-(10+n)×eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(9,10)))n,
所以Sn=100-10×(10+n)×eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(9,10)))n,
由100-10×(10+n)×eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(9,10)))n=100-200×eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(9,10)))n,
整理得10×(10+n)=200,解得n=10.
5.已知数列{an}满足a2=3,an+1=2an+1,设bn=an+1.
(1)求a1,a3;
(2)判断数列{bn}是不是等比数列,并说明理由;
(3)求a1+a3+a5+…+a2n+1.
解 (1)当n=1时,a2=2a1+1,解得a1=1.
当n=2时,a3=2a2+1,解得a3=7.
(2){bn}是等比数列,理由如下.
因为an+1=2an+1,
所以an+1+1=2(an+1),因为bn=an+1,
所以bn+1=2bn,所以{bn}是以2为公比的等比数列.
(3)由(1)和(2)得an=2n-1,
所以a1+a3+a5+…+a2n+1=(21+23+…+22n+1)-(n+1)
=eq \f(21-4n+1,1-4)-(n+1)=eq \f(24n+1-1,3)-(n+1).
6.(2020·广州模拟)数列{an}满足an+1-eq \r(an+1)=an+eq \r(an)(n∈N*),且a2=4.
(1)求数列{an}的通项公式;
(2)记bn=eq \f(\r(an+1),n+22an),求数列{bn}的前n项和Sn.
解 (1)∵an+1-eq \r(an+1)=an+eq \r(an),
∴an+1-an=eq \r(an+1)+eq \r(an),
∴eq \r(an+1)-eq \r(an)=1,
∵a2=4,∴eq \r(a1)=1,
∴数列{eq \r(an)}是以1为首项,以1为公差的等差数列.
∴eq \r(an)=1+n-1=n,
∴an=n2.
(2)∵bn=eq \f(\r(an+1),n+22an)=eq \f(n+1,n+22n2),
∴bn=eq \f(n+1,n+22n2)=eq \f(1,4)eq \b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\c1(\f(1,n2)-\f(1,n+22))),
∴Sn=eq \f(1,4)eq \b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\c1(1-\f(1,32)+\f(1,22)-\f(1,42)+\f(1,32)-\f(1,52)+…+\f(1,n-12)-\f(1,n+12)+\f(1,n2)-\f(1,n+22)))
∴Sn=eq \f(1,4)eq \b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\c1(1+\f(1,22)-\f(1,n+12)-\f(1,n+22)))
=eq \f(1,4)eq \b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\c1(\f(5,4)-\f(1,n+12)-\f(1,n+22))).
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