2023高考数学二轮专题 微专题9 数列求和的常用方法
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高考定位 近几年高考,数列求和常出现在解答题第(2)问,主要考查通过分组转化、错位相减、裂项相消等方法求数列的和,难度中档.
1.(2021·新高考Ⅰ卷)某校学生在研究民间剪纸艺术时,发现剪纸时经常会沿纸的某条对称轴把纸对折.规格为20 dm×12 dm的长方形纸,对折1次共可以得到10 dm×12 dm,20 dm×6 dm两种规格的图形,它们的面积之和S1=240 dm2,对折2次共可以得到5 dm×12 dm,10 dm×6 dm,20 dm×3 dm三种规格的图形,它们的面积之和S2=180 dm2,以此类推,则对折4次共可以得到不同规格图形的种数为________;如果对折n次,那么Sk=________ dm2.
答案 5 240
解析 依题意得,S1=120×2=240(dm2);S2=60×3=180(dm2);
当n=3时,共可以得到5 dm×6 dm, dm×12 dm,10 dm×3 dm,20 dm× dm四种规格的图形,且5×6=30,×12=30,10×3=30,20×=30,
所以S3=30×4=120(dm2);
当n=4时,共可以得到5 dm×3 dm, dm×6 dm, dm×12 dm,10 dm× cm,20 dm× dm五种规格的图形,所以对折4次共可以得到不同规格图形的种数为5,且5×3=15,×6=15,×12=15,10×=15,20×=15,所以S4=15×5=75(dm2);
……
所以可归纳Sk=·(k+1)=(dm2).
所以Sk=240, ①
所以×Sk=240×,②
由①-②得,·Sk=240
=240
=240,
所以Sk=240 dm2.
2.(2021·新高考Ⅰ卷)已知数列{an}满足a1=1,an+1=
(1)记bn=a2n,写出b1,b2,并求数列{bn}的通项公式;
(2)求{an}的前20项和.
解 (1)因为bn=a2n,且a1=1,an+1=
所以b1=a2=a1+1=2,
b2=a4=a3+1=a2+2+1=5.
因为bn=a2n,
所以bn+1=a2n+2=a2n+1+1=a2n+1+1=a2n+2+1=a2n+3,
所以bn+1-bn=a2n+3-a2n=3,
所以数列{bn}是以2为首项,3为公差的等差数列,
所以bn=2+3(n-1)=3n-1,n∈N*.
(2)因为an+1=
所以k∈N*时,a2k=a2k-1+1=a2k-1+1,
即a2k=a2k-1+1,①
a2k+1=a2k+2, ②
a2k+2=a2k+1+1=a2k+1+1,
即a2k+2=a2k+1+1,③
所以①+②得a2k+1=a2k-1+3,即a2k+1-a2k-1=3,
所以数列{an}的奇数项是以1为首项,3为公差的等差数列;
②+③得a2k+2=a2k+3,即a2k+2-a2k=3,
又a2=2,所以数列{an}的偶数项是以2为首项,3为公差的等差数列.
所以数列{an}的前20项和S20=(a1+a3+a5+…+a19)+(a2+a4+a6+…+a20)=10+×3+20+×3=300.
3.(2022·新高考Ⅰ卷)记Sn为数列{an}的前n项和,已知a1=1,是公差为的等差数列.
(1)求{an}的通项公式;
(2)证明:++…+<2.
(1)解 法一 因为a1=1,所以=1,
又是公差为的等差数列,
所以=1+(n-1)×=.
因为当n≥2时,an=Sn-Sn-1,
所以=(n≥2),
所以=(n≥2),
整理得=(n≥2),
所以··…··=××…··=(n≥2),
所以Sn=(n≥2),
又S1=1也满足上式,
所以Sn=(n∈N*),
则Sn-1=(n≥2),
所以an=-
=(n≥2),
又a1=1也满足上式,
所以an=(n∈N*).
法二 因为a1=1,所以=1,
又是公差为的等差数列,
所以=1+(n-1)×=,
所以Sn=an.
因为当n≥2时,
an=Sn-Sn-1=an-an-1,
所以an-1=an(n≥2),
所以=(n≥2),
所以··…··=×××…··=(n≥2),
所以an=(n≥2),
又a1=1也满足上式,
所以an=(n∈N*).
(2)证明 因为an=,
所以==2,
所以++…+=2[++…++]
=2<2.
热点一 分组求和与并项求和
1.若数列{cn}的通项公式为cn=an±bn,或cn=且{an},{bn}为等差或等比数列,可采用分组求和法求数列{cn}的前n项和.
2.若数列的通项公式中有(-1)n等特征,根据正负号分组求和.
例1 (2022·济宁一模)已知等差数列{an}的前n项和为Sn,且a5=9,S7=49.
(1)求数列{an}的通项公式;
(2)设bn=求数列{bn}的前100项和.
解 (1)设等差数列{an}的公差为d,
则解得
所以an=1+2(n-1)=2n-1(n∈N*).
(2)因为bn=
所以数列{bn}的前100项和为(b1+b2+…+b10)+(b11+b12+…+b20)+(b21+b22+…+b30)+…+(b91+b92+…+b100)
=(a1+a2+…+a10)+2(a1+a2+…+a10)+22(a1+a2+…+a10)+…+29(a1+a2+…+a10)
=(1+2+22+…+29)(a1+a2+…+a10)
=×
=102 300.
规律方法 分组求和的基本思路是把各项中结构相同的部分归为同一组,然后再求和.
训练1 已知数列{an}的前n项和Sn=,n∈N*.
(1)求数列{an}的通项公式;
(2)设bn=2an+(-1)nan,求数列{bn}的前2n项和.
解 (1)当n=1时,a1=S1=1;
当n≥2时,
an=Sn-Sn-1=-=n.
a1也满足an=n,
故数列{an}的通项公式为an=n(n∈N*).
(2)由(1)知an=n,故bn=2n+(-1)nn.
记数列{bn}的前2n项和为T2n,
则T2n=(21+22+…+22n)+(-1+2-3+4-…+2n).
记A=21+22+…+22n,B=-1+2-3+4-…+2n,
则A==22n+1-2,
B=(-1+2)+(-3+4)+…+[-(2n-1)+2n]=n.
故数列{bn}的前2n项和T2n=A+B=22n+1+n-2(n∈N*).
热点二 裂项相消法求和
裂项常见形式:(1)分母两项的差等于常数
=;
=.
(2)分母两项的差与分子存在一定关系
=-;
=.
(3)分母含无理式=-.
例2 已知数列{an}满足a1+2a2+3a3+…+nan=(n-1)2n+1+2.
(1)求数列{an}的通项公式;
(2)求数列的前n项和Tn.
解 (1)由题意可知a1+2a2+3a3+…+nan=(n-1)2n+1+2,①
当n≥2时,a1+2a2+3a3+…+(n-1)an-1=(n-2)2n+2,②
①-②得nan=(n-1)2n+1-(n-2)2n,
即an=2n,
当n=1时,a1=2满足上式,
所以an=2n(n∈N*).
(2)因为log2 an=log2 2n=n,
所以==.
所以Tn=
==-.
规律方法 裂项相消法就是把数列的每一项分解,使得相加后项与项之间能够相互抵消,但在抵消的过程中,有的是依次项抵消,有的是间隔项抵消.
训练2 (2022·武汉模拟)已知正项等差数列{an}满足:a3n=3an(n∈N*),且2a1,a3+1,a8成等比数列.
(1)求{an}的通项公式;
(2)设cn=,求数列{cn}的前n项和Rn.
解 (1)设等差数列{an}的公差为d,
由a3n=3an得
a1+(3n-1)d=3[a1+(n-1)d].
则a1=d,
所以an=a1+(n-1)d=nd.
又2a1,a3+1,a8成等比数列,
所以(a3+1)2=2a1·a8,
即(3d+1)2=2d·8d.
所以7d2-6d-1=0,
解得d=1或d=-,
因为{an}为正项数列,
所以d>0,所以d=1,
所以an=n(n∈N*).
(2)由(1)可得cn==
=2,
所以Rn=2
=2.
热点三 错位相减法求和
如果数列{an}是等差数列,{bn}是等比数列,那么求数列{an·bn}的前n项和Sn时,可采用错位相减法.用其法求和时,应注意:(1)等比数列的公比为负数的情形;
(2)在写“Sn”和“qSn”的表达式时应特别注意将两式“错项对齐”,以便准确写出“Sn-qSn”的表达式.
例3 (2022·广州调研)从①Sn,2Sn+1,3Sn+2成等差数列,且S2=;②a=an(2an-5an+1),且an>0;③2Sn+an-t=0(t为常数)这三个条件中任选一个补充在横线处,并给出解答.
已知数列{an}的前n项和为Sn,a1=,________,其中n∈N*.
(1)求{an}的通项公式;
(2)记bn=logan+1,求数列{an·bn}的前n项和Tn.
注:如果选择多个条件分别解答,按第一个解答计分.
解 (1)若选条件①.
因为Sn,2Sn+1,3Sn+2成等差数列,所以4Sn+1=Sn+3Sn+2,
即Sn+1-Sn=3(Sn+2-Sn+1),
所以an+1=3an+2,
又S2=,a1=,
所以a2=S2-a1=,即a2=a1,
所以an+1=an,即=,
又a1=,所以数列{an}是首项为,公比为的等比数列,
所以an=(n∈N*).
若选条件②.
由a=an(2an-5an+1),
得3a=an(2an-5an+1),
即3a+5an+1an-2a=0,
所以(an+1+2an)(3an+1-an)=0,
因为an>0,所以3an+1-an=0,
即=,又a1=,
所以数列{an}是首项为,公比为的等比数列,
所以an=(n∈N*).
若选条件③.
因为2Sn+an-t=0,
所以n≥2时,2Sn-1+an-1-t=0,
两式相减并整理,
得an=an-1(n≥2),
即=(n≥2),又a1=,
所以数列{an}是首项为,公比为的等比数列,所以an=(n∈N*).
(2)由(1)知,an+1=,
所以bn=logan+1=log=n+1,
所以an·bn=(n+1)×=,
所以Tn=+++…+,
所以Tn=+++…+,
两式相减,得
Tn=+-=+-
=+×-=-×-,
所以Tn=×=-.
易错提醒 一要先“错项”再“相减”;二要注意最后一项的符号.
训练3 (2022·潍坊模拟)已知等比数列{an}的前n项和为Sn,且a1=2,S3=a3+6.
(1)求数列{an}的通项公式;
(2)设bn=log2an,求数列{anbn}的前n项和Tn.
解 (1)设数列{an}的公比为q,
由a1=2,S3=a3+6,
得a1(1+q+q2)=6+a1q2,解得q=2,
所以an=2n(n∈N*).
(2)由(1)可得bn=log2an=n,
所以anbn=n·2n,
Tn=1×2+2×22+3×23+…+n×2n,
2Tn=1×22+2×23+…+(n-1)2n+n·2n+1,
所以-Tn=2+22+…+2n-n·2n+1
=-n·2n+1=2n+1-2-n·2n+1,
所以Tn=(n-1)2n+1+2.
一、基本技能练
1.已知数列{an}满足an+1-an=2(n∈N*),a1=-5,则|a1|+|a2|+…+|a6|=( )
A.9 B.15
C.18 D.30
答案 C
解析 ∵an+1-an=2,a1=-5,
∴数列{an}是公差为2的等差数列,
∴an=-5+2(n-1)=2n-7,
数列{an}的前n项和Sn==n2-6n(n∈N*).
令an=2n-7≥0,解得n≥,
∴n≤3时,|an|=-an;
n≥4时,|an|=an.
则|a1|+|a2|+…+|a6|
=-a1-a2-a3+a4+a5+a6
=S6-2S3
=62-6×6-2×(32-6×3)=18.
2.(2022·深圳模拟)在数列{an}中,a1=3,am+n=am+an(m,n∈N*),若a1+a2+a3+…+ak=135,则k等于( )
A.10 B.9
C.8 D.7
答案 B
解析 令m=1,由am+n=am+an可得an+1=a1+an,
所以an+1-an=3,
所以{an}是首项为a1=3,公差为3的等差数列,
an=3+3(n-1)=3n,
所以a1+a2+a3+…+ak===135,
整理可得k2+k-90=0,
解得k=9或k=-10(舍去).
3.数列{an}满足an+1+(-1)nan=2n-1,则{an}的前60项和为( )
A.3 690 B.3 660
C.1 845 D.1 830
答案 D
解析 因为an+1+(-1)nan=2n-1,
故有a2-a1=1,a3+a2=3,a4-a3=5,a5+a4=7,a6-a5=9,a7+a6=11,…,a50-a49=97.
从而可得a3+a1=2,a4+a2=8,a5+a7=2,a8+a6=24,a9+a11=2,a12+a10=40,a13+a15=2,a16+a14=56,…
从第一项开始,依次取2个相邻奇数项的和都等于2,从第二项开始,依次取2个相邻偶数项的和构成以8为首项,以16为公差的等差数列.
所以{an}的前60项和为15×2+=1 830.
4.在等差数列{an}中,a3+a5=a4+7,a10=19,则数列{ancos nπ}(n∈N*)的前2 023项和为( )
A.1 011 B.1 010
C.-2 023 D.-2 022
答案 C
解析 由题意得a3+a5=2a4=a4+7,解得a4=7,
所以公差d===2,
则a1=a4-3d=7-3×2=1,
所以an=2n-1,
设bn=ancos nπ,
则b1+b2=a1cos π+a2cos 2π=-a1+a2=2,
b3+b4=a3cos 3π+a4cos 4π=-a3+a4=2,……,
∴数列{ancos nπ}(n∈N*)的前2 023项和S2 023=(b1+b2)+(b3+b4)+…+(b2 021+b2 022)+b2 023=2×1 011-4 045=-2 023.
5.已知函数f(x)=xa的图象过点(4,2),令an=(n∈N*),记数列{an}的前n项和为Sn,则S2 023等于( )
A.+1 B.-1
C.-1 D.+1
答案 B
解析 函数f(x)=xa的图象过点(4,2),
则4a=2,解得a=,则f(x)=,
an===-,
则S2 023=(-1)+(-)+…+(-)+(-)=-1.
6.(多选)已知等差数列{an}的前n项和为Sn,公差d=1.若a1+3a5=S7,则下列结论一定正确的是( )
A.a5=1 B.Sn最小时n=3
C.S1=S6 D.Sn存在最大值
答案 AC
解析 由已知得a1+3(a1+4×1)=7a1+×1,
解得a1=-3.
对于选项A,a5=-3+4×1=1,故A正确.
对于选项B,an=-3+n-1=n-4,
因为a1=-3<0,a2=-2<0,a3=-1<0,a4=0,a5=1>0,
所以Sn的最小值为S3或S4,故B错误.
对于选项C,S6-S1=a2+a3+a4+a5+a6=5a4,
又因为a4=0,
所以S6-S1=0,即S1=S6,故C正确.
对于选项D,因为Sn=-3n+=,所以Sn无最大值,故D错误.
7.(2022·无锡模拟)++++…+=________.
答案
解析 根据等差数列的前n项和公式,
可得2+4+6+…+2n==n(n+1),
因为=-,
所以++++…+
=+++…+=1-=.
8.(2022·嘉兴测试)数列{an}满足a1+2a2+3a3+…+nan=2n,则++…+的值为________.
答案
解析 对于a1+2a2+3a3+…+nan=2n,
当n≥2时,a1+2a2+3a3+…+(n-1)an-1=2n-1,
两式相减得nan=2n-1,
则an=,n≥2,又a1=21=2不符合上式,
则an=
当k≥2时,==·=·,
∴++…+=a1a2+×+×+…+×
=×2×+×=.
9.设各项均为正数的等差数列{an}首项为1,前n项的和为Sn,且Sn=(n∈N*),设bn=2n·an,则数列{bn}的前n项和Tn=________.
答案 (2n-3)2n+1+6(n∈N*)
解析 由题意4Sn=(an+1)2,①
4Sn+1=(an+1+1)2, ②
两式相减得4an+1=(an+1+1)2-(an+1)2,
即(an+1-an-2)(an+1+an)=0,
∵an>0,
∴an+1+an≠0,an+1-an=2,
∴{an}是公差为2的等差数列,
∵a1=1,
∴an=a1+(n-1)d=2n-1,bn=2nan=(2n-1)2n.
由错位相减法可求得Tn=(2n-3)2n+1+6(n∈N*).
10.斐波那契数列因意大利数学家斐波那契以兔子繁殖为例引入,故又称为“兔子数列”,即1,1,2,3,5,8,13,21,34,55,89,144,233,….在实际生活中,很多花朵(如梅花、飞燕草、万寿菊等)的瓣数恰是斐波那契数列中的数,斐波那契数列在现代物理及化学等领域也有着广泛的应用.斐波那契数列{an}满足:a1=a2=1,an+2=an+1+an(n∈N*),则1+a3+a5+a7+a9+…+a2 023是斐波那契数列{an}中的第________项.
答案 2 024
解析 依题意,得1+a3+a5+a7+a9+…+a2 023=a2+a3+a5+a7+a9+…+a2 023=a4+a5+a7+a9+…+a2 023=a6+a7+a9+…+a2 023=…=a2 022+a2 023=a2 024.
11.已知等差数列{an}的前n项和为Sn,且S4=S5=-20.
(1)求数列{an}的通项公式;
(2)已知数列{bn}是以4为首项,4为公比的等比数列,若数列{an}与{bn}的公共项为am,记m由小到大构成数列{cn},求{cn}的前n项和Tn.
解 (1)设等差数列{an}的公差为d,
由S4=S5=-20,
得4a1+6d=5a1+10d=-20,
解得a1=-8,d=2,
则an=-8+2(n-1)=2n-10(n∈N*).
(2)数列{bn}是以4为首项,4为公比的等比数列,
∴bn=4·4n-1=4n(n∈N*).
又依题意2m-10=4n,
∴m==5+22n-1,
则Tn=5n+=5n+.
12.已知各项均为正数的等差数列{an}满足a1=1,a=a+2(an+1+an).
(1)求{an}的通项公式;
(2)记bn=,求数列{bn}的前n项和Sn.
解 (1)各项均为正数的等差数列{an}满足a1=1,a=a+2(an+1+an),
整理得(an+1+an)(an+1-an)
=2(an+1+an),
由于an+1+an≠0,
所以an+1-an=2,
故数列{an}是以1为首项,2为公差的等差数列.
所以an=2n-1.
(2)由(1)可得bn===,
所以Sn=×(-1+-+…+-)=(-1).
二、创新拓展练
13.(多选)(2022·扬州调研)已知数列{an}的前n项和为Sn,则下列说法正确的是( )
A.若Sn=n2-1,则{an}是等差数列
B.若Sn=2n-1,则{an}是等比数列
C.若{an}是等差数列,则S99=99a50
D.若{an}是等比数列,且a1>0,q>0,则S2n-1·S2n+1>S
答案 BC
解析 对于A,若Sn=n2-1,则有a1=S1=0,a2=S2-S1=22-12=3,a3=S3-S2=32-22=5,2a2≠a1+a3,此时数列{an}不是等差数列,故A错误;
对于B,若Sn=2n-1,则当n=1时,有a1=S1=1,当n≥2时,有an=Sn-Sn-1=2n-2n-1=2n-1,故an=2n-1,=2,此时数列{an}是等比数列,故B正确;
对于C,由等差数列的性质可得S99==99a50,故C正确;
对于D,因为当a1>0,q=1时,有an=a1,S2n-1·S2n+1=(2n-1)(2n+1)a=(4n2-1)a,S=(2na1)2=4n2a,此时S2n-1·S2n+1<S,故D错误.综上,故选BC.
14.已知数列{an}满足a1+2a2+4a3+…+2n-1an=,将数列{an}按如下方式排列成新数列:a1,a2,a2,a2,a3,a3,a3,a3,a3,…,,…,则新数列的前70项和为________.
答案
解析 由a1+2a2+4a3+…+2n-1an=, ①
得a1+2a2+4a3+…+2n-2an-1=(n≥2),②
①-②得2n-1an=,即an=(n≥2),
又a1=,即an=,
由1+3+5+…+(2n-1)=n2=64,
得n=8.
令S=+++…+,
则S=++…++,
两式相减得S=+2×+2×+…+2×-=+-,
∴S=,
所以新数列的前70项和为+=.
15.函数y=[x]称为高斯函数,[x]表示不超过x的最大整数,如[0.9]=0,[lg 99]=1.已知数列{an}满足a3=3,且an=n(an+1-an),若bn=[lg an],则数列{bn}的前2 023项和为________.
答案 4 962
解析 因为an=n(an+1-an),
所以(1+n)an=nan+1,
即=,
所以为常数数列,
所以==1,
所以an=n,
记{bn}的前n项和为Tn,
当1≤n≤9时,0≤lg an<1,bn=0;
当10≤n≤99时,1≤lg an<2,bn=1;
当100≤n≤999时,2≤lg an<3,bn=2;
当1 000≤n≤2 023时,3≤lg an<4,bn=3;
所以T2 023=[lg a1]+[lg a2]+…+[lg a2 023]
=9×0+90×1+900×2+1 024×3=4 962.
16.对于任意一个有穷数列,可以通过在该数列的每相邻两项之间插入这两项的和,构造一个新的数列.现对数列1,5进行构造,第1次得到数列1,6,5,第2次得到数列1,7,6,11,5,依次类推,第n次得到数列1,x1,x2,x3,…,5.记第n次得到的数列的各项之和为Sn,则{Sn}的通项公式Sn=________.
答案 3+3n+1
解析 由题意可知,第n次得到数列1,x1,x2,x3,…,5.
第1次得到数列1,6,5,
第2次得到数列1,7,6,11,5,
第3次得到数列1,8,7,13,6,17,11,16,5,
第4次得到数列1,9,8,15,7,20,13,19,6,23,17,28,11,27,16,21,5.
……
第n次得到数列1,x1,x2,x3,…,5,
所以S1=6+6=6+2×31,
S2=6+6+18=6+2×31+2×32,
S3=6+6+18+54=6+2×31+2×32+2×33,
S4=6+6+18+54+162=6+2×31+2×32+2×33+2×34,
……,
即Sn=6+2(31+32+…+3n)
=6+=3+3n+1.
17.(2022·泰州模拟)在①Sn=2an+1-3,a2=,②2Sn+1-3Sn=3,a2=,③点(an,Sn)(n∈N*)在直线3x-y-3=0上这三个条件中任选一个,补充到下面的问题中,并解答.
已知数列{an}的前n项和为Sn,________.
(1)求{an}的通项公式;
(2)若bn=,求{bn}的前n项和Tn.
解 (1)方案一 选条件①.
∵Sn=2an+1-3,
∴当n≥2时,Sn-1=2an-3,
两式相减,整理得an+1=an(n≥2).
∵a2=,
∴a1=S1=2a2-3=,a2=a1,
∴=(n∈N*),
∴数列{an}是以为首项,为公比的等比数列,
∴an=×=(n∈N*).
方案二 选条件②.
∵2Sn+1-3Sn=3,
∴当n≥2时,2Sn-3Sn-1=3,
两式相减,整理得an+1=an(n≥2).
∵2(a1+a2)-3a1=3,a2=,
∴a1=,a2=a1,
∴=(n∈N*),
∴数列{an}是以为首项,为公比的等比数列,
∴an=×=(n∈N*).
方案三 选条件③.
∵点(an,Sn)(n∈N*)在直线3x-y-3=0上,
∴Sn=3an-3,∴Sn+1=3an+1-3,
两式相减,整理得an+1=an,
当n=1时,a1=3a1-3,得a1=,
∴数列{an}是以为首项,为公比的等比数列,
∴an=×=(n∈N*).
(2)由(1)可得bn=n·,
则Tn=1·+2·+…+n·,
∴Tn=1·+2·+…+n·,
两式相减得Tn=+++…+-n·=-n·
=2-×,
∴Tn=6-(2n+6)×.
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