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所属成套资源:2021高考数学人教版一轮创新教学案
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2021届高考数学人教版一轮创新教学案:第5章第3讲比数列及其前n项和
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第3讲 等比数列及其前n项和
[考纲解读] 1.理解等比数列的概念及等比数列与指数函数的关系.
2.掌握等比数列的通项公式与前n项和公式,并熟练掌握其推导方法,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.(重点)
3.熟练掌握等比数列的基本运算和相关性质.(难点)
[考向预测] 从近三年高考情况来看,本讲一直是高考中的重点.预测2021年高考将会以等比数列的通项公式及其性质、等比数列的前n项和为考查重点,也可能将等比数列的通项、前n项和及性质综合考查,此外,还可能会与等差数列综合考查.题型以客观题或解答题的形式呈现,属中档题型.
1.等比数列的有关概念
(1)等比数列的定义
一般地,如果一个数列从第2项起,每一项与它的前一项的比等于同一常数,那么这个数列叫做等比数列,这个常数叫做等比数列的公比,公比通常用字母q(q≠0)表示.数学语言表达:=q(n≥2),q为常数,q≠0.
(2)等比中项
如果a,G,b成等比数列,那么G叫做a与b的等比中项.即:G是a与b的等比中项⇔a,G,b成等比数列⇔G2=ab.
2.等比数列的通项公式及前n项和公式
(1)若等比数列{an}的首项为a1,公比是q,则其通项公式为an=a1qn-1;可推广为an=amqn-m.
(2)等比数列的前n项和公式:当q=1时,Sn=na1;当q≠1时,Sn==.
3.等比数列的相关性质
设数列{an}是等比数列,Sn是其前n项和.
(1)若m+n=p+q,则aman=apaq,其中m,n,p,q∈N*.特别地,若2s=p+r,则apar=a,其中p,s,r∈N*.
(2)相隔等距离的项组成的数列仍是等比数列,即ak,ak+m,ak+2m,…仍是等比数列,公比为qm(k,m∈N*).
(3)若数列{an},{bn}是两个项数相同的等比数列,则数列{ban},{pan·qbn}和(其中b,p,q是非零常数)也是等比数列.
(4)Sm+n=Sn+qnSm=Sm+qmSn.
(5)当q≠-1或q=-1且k为奇数时,Sk,S2k-Sk,S3k-S2k,…是等比数列,公比为qk.当q=-1且k为偶数时,Sk,S2k-Sk,S3k-S2k,…不是等比数列.
(6)若a1·a2·…·an=Tn,则Tn,,,…成等比数列.
(7)若数列{an}的项数为2n,则=q;若项数为2n+1,则=q.
1.概念辨析
(1)满足an+1=qan(n∈N*,q为常数)的数列{an}为等比数列.( )
(2)G为a,b的等比中项⇔G2=ab.( )
(3)如果数列{an}为等比数列,则数列{lg an}是等差数列.( )
(4)若数列{an}的通项公式是an=an,则其前n项和为Sn=.( )
(5)若数列{an}为等比数列,则S4,S8-S4,S12-S8成等比数列.
答案 (1)× (2)× (3)× (4)× (5)×
2.小题热身
(1)在等比数列{an}中,a3=2,a7=8,则a5等于( )
A.5 B.±5
C.4 D.±4
答案 C
解析 设等比数列{an}的公比为q,则q4===4,q2=2,所以a5=a3q2=2×2=4.
(2)对任意等比数列{an},下列说法一定正确的是( )
A.a1,a3,a9成等比数列
B.a2,a3,a6成等比数列
C.a2,a4,a8成等比数列
D.a3,a6,a9成等比数列
答案 D
解析 不妨设公比为q,则a=aq4,a1·a9=aq8,a2·a6=aq6,当q≠±1时,知A,B均不正确;又a=aq6,a2·a8=aq8,同理,C不正确;由a=aq10,a3·a9=aq10,知D正确.故选D.
(3)等比数列{an}的前n项和为Sn,已知S3=a2+10a1,a5=9,则a1=( )
A. B.-
C. D.-
答案 C
解析 由已知条件及S3=a1+a2+a3,得a3=9a1,设数列{an}的公比为q,则q2=9,所以a5=9=a1·q4=81a1,得a1=.
(4)数列{an}中a1=2,an+1=2an,Sn为{an}的前n项和,若Sn=126,则n=________.
答案 6
解析 因为a1=2,an+1=2an,所以an≠0,故=2.
所以数列{an}是公比为2的等比数列,因为Sn=126,所以=126,所以2n=64,故n=6.
题型 一 等比数列基本量的运算
1.《九章算术》第三章“衰分”介绍比例分配问题:“衰分”是按比例递减分配的意思,通常称递减的比例(百分比)为“衰分比”.如:甲、乙、丙、丁衰分得100,60,36,21.6个单位,递减的比例为40%,今共有粮m(m>0)石,按甲、乙、丙、丁的顺序进行“衰分”,已知丙衰分得80石,乙、丁衰分所得的和为164石,则“衰分比”与m的值分别为( )
A.20% 369 B.80% 369
C.40% 360 D.60% 365
答案 A
解析 设“衰分比”为a,甲衰分得b石,
由题意得
解得b=125,a=20%,m=369.故选A.
2.(2019·全国卷Ⅰ)记Sn为等比数列{an}的前n项和.若a1=,a=a6,则S5=________.
答案
解析 由a=a6,得(a1q3)2=a1q5,整理得q==3.∴S5==.
3.设等比数列{an}的前n项和为Sn,已知a3=,S3=.
(1)求数列{an}的通项公式;
(2)设bn=log2,求数列{bn}的前n项和Tn.
解 (1)①当公比q=1时,
∵a3=,S3=,
∴an=;
②当q≠1时,
∵a3=,S3=,
∴a1q2=,=,
解得a1=6,q=-,
此时an=6·n-1.
综上所述,数列{an}的通项公式为
an=或an=6·n-1.
(2)①当an=时,bn=log2=2,
故Tn=2n;
②当an=6·n-1时,
bn=log2=2n,
此时Tn=2·=n(n+1).
综上所述,Tn=2n或Tn=n(n+1).
1.等比数列基本运算中的两种常用数学思想
方程
的思想
等比数列中有五个量a1,n,q,an,Sn,一般可以“知三求二”,通过列方程(组)求关键量a1和q,问题可迎刃而解.如举例说明2
分类讨论
的思想
等比数列的前n项和公式涉及对公比q的分类讨论,当q=1时,{an}的前n项和Sn=na1;当q≠1时,{an}的前n项和Sn==.如举例说明3
2.等比数列的基本运算方法
(1)等比数列可以由首项a1和公比q确定,所有关于等比数列的计算和证明,都可围绕a1和q进行.
(2)对于等比数列问题,一般给出两个条件,就可以通过列方程(组)求出a1,q.如果再给出第三个条件就可以完成a1,n,q,an,Sn的“知三求二”问题.
1.等比数列{an}的前n项和为Sn=32n-1+r,则r的值为( )
A. B.-
C. D.-
答案 B
解析 当n≥2时,an=Sn-Sn-1=32n-1+r-32n-3-r=8·32n-3,
当n=1时,a1=S1=32-1+r=3+r,
∵数列是等比数列,∴a1满足an=8·32n-3,
即8·32-3=3+r=,即r=-,故选B.
2.(2020·滨海新区期中)已知递增等比数列{an}的第三项、第五项、第七项的积为512,且这三项分别减去1,3,9后成等差数列.
(1)求{an}的首项和公比;
(2)设Sn=a+a+…+a,求Sn.
解 (1)根据等比数列的性质,可得a3·a5·a7=a=512,解得a5=8.
设数列{an}的公比为q,则a3=,a7=8q2,
由题设可得+(8q2-9)=2×(8-3)=10,
解得q2=2或.
∵{an}是递增数列,可得q>1,∴q2=2,得q=.
因此a5=a1q4=4a1=8,解得a1=2.
(2)由(1)得{an}的通项公式为
an=a1qn-1=2×()n-1=()n+1,
∴a=[()n+1]2=2n+1,
可得{a}是以4为首项,2为公比的等比数列.
因此Sn=a+a+…+a==2n+2-4.
题型 二 等比数列的判定与证明
(2018·全国卷Ⅰ)已知数列{an}满足a1=1,nan+1=2(n+1)an,设bn=.
(1)求b1,b2,b3;
(2)判断数列{bn}是否为等比数列,并说明理由;
(3)求{an}的通项公式.
解 (1)由条件可得an+1=an.
将n=1代入,得a2=4a1,而a1=1,所以a2=4.
将n=2代入,得a3=3a2,所以a3=12.
从而b1=1,b2=2,b3=4.
(2){bn}是首项为1,公比为2的等比数列.
由题设条件可得=,即bn+1=2bn,
又b1=1,所以{bn}是首项为1,公比为2的等比数列.
(3)由(2)可得=2n-1,所以an=n·2n-1.
条件探究1 将本例中的条件改为“a1=1,a-(2an+1-1)an-2an+1=0,且an>0”,求{an}的通项公式.
解 由a-(2an+1-1)an-2an+1=0,得
2an+1(an+1)=an(an+1).
因为{an}的各项都为正数,所以=.
故{an}是首项为1,公比为的等比数列,
因此an=.
条件探究2 将本例中的条件改为“a1=3,an+an-1=anan-1(n≥2,且n∈N)”.
求证数列是等比数列,并求出an.
解 ∵an+an-1=anan-1,∴+=1,
∴=-+1,∴-=-(n≥2),
∴是以-=-为首项,-1为公比的等比数列.
∴-=-×(-1)n-1,∴an=.
等比数列的判定方法
(1)定义法:若=q(q为非零常数,n∈N*)或=q(q为非零常数且n≥2,n∈N*),则{an}是等比数列.见举例说明(2).
(2)等比中项公式法:若数列{an}中,an≠0且a=an·an+2(n∈N*),则数列{an}是等比数列.
(3)通项公式法:若数列通项公式可写成an=c·qn(c,q均是不为0的常数,n∈N*),则{an}是等比数列.
(4)前n项和公式法:若数列{an}的前n项和Sn=k·qn-k(k为常数且k≠0,q≠0,1),则{an}是等比数列.
提醒:(1)前两种方法是判定等比数列的常用方法,常用于证明;后两种方法常用于选择题、填空题中的判定.
(2)若要判定一个数列不是等比数列,则只需判定存在连续三项不成等比数列即可.
1.已知{an},{bn}都是等比数列,那么( )
A.{an+bn},{an·bn}都一定是等比数列
B.{an+bn}一定是等比数列,但{an·bn}不一定是等比数列
C.{an+bn}不一定是等比数列,但{an·bn}一定是等比数列
D.{an+bn},{an·bn}都不一定是等比数列
答案 C
解析 an=1,bn=(-1)n,
则{an},{bn}都是等比数列,但{an+bn}不是等比数列;
设等比数列{an}的公比为p,等比数列{bn}的公比为q,
则=·=pq.
所以数列{an·bn}一定是等比数列.
2.设数列{an}的前n项和为Sn,满足:Sn+an=,n=1,2,…,n.
(1)求证:数列是等比数列;
(2)求Sn.
解 (1)证明:由题意,n=1时,S1+a1=0,
即a1=0,n≥2时,Sn+Sn-Sn-1=2Sn-Sn-1==-,
所以Sn-=,S1-=-,
所以数列是以-为首项,为公比的等比数列.
(2)由(1)知,Sn-=n-1=-n,所以Sn=-n.
题型 三 等比数列前n项和及性质的应用
角度1 等比数列通项的性质
1.已知数列{an}是递增的等比数列,且a4a6-2a+a2a4=144,则a5-a3=( )
A.6 B.8
C.10 D.12
答案 D
解析 ∵{an}是递增的等比数列,∴由a4a6-2a+a2a4=144,a5-a3>0,可得a-2a3a5+a=144,(a5-a3)2=144,∴a5-a3=12,故选D.
2.(2019·开封模拟)已知数列{an}满足log2an+1=1+log2an(n∈N*),且a1+a2+a3+…+a10=1,则log2(a101+a102+…+a110)=________.
答案 100
解析 由log2an+1=1+log2an,
可得log2an+1=log22an,
所以an+1=2an,所以数列{an}是以a1为首项,2为公比的等比数列,
又a1+a2+…+a10=1,所以a101+a102+…+a110=(a1+a2+…+a10)×2100=2100,
所以log2(a101+a102+…+a110)=log22100=100.
角度2 等比数列的前n项和的性质
3.(2019·丽水模拟)设各项都是正数的等比数列{an}的前n项和为Sn,且S10=10,S30=70,那么S40等于( )
A.150 B.-200
C.150或-200 D.400或-50
答案 A
解析 易知S10,S20-S10,S30-S20,S40-S30成等比数列,因此有(S20-S10)2=S10(S30-S20),即(S20-10)2=10(70-S20),故S20=-20或S20=30.又S20>0,所以S20=30,S20-S10=20,S30-S20=40,故S40-S30=80,所以S40=150.故选A.
4.(2020·池州高三上学期期末)已知等比数列{an}的公比q=2,前100项和为S100=90,则其偶数项a2+a4+…+a100为( )
A.15 B.30
C.45 D.60
答案 D
解析 设S=a1+a3+…+a99,则a2+a4+…+a100=(a1+a3+…+a99)q=2S,又因为S100=a1+a2+a3+…+a100=90,所以3S=90,S=30,
所以a2+a4+…+a100=2S=60.
1.掌握运用等比数列性质解题的两个技巧
(1)在等比数列的基本运算问题中,一般是列出a1,q满足的方程组求解,但有时运算量较大,如果可利用等比数列的性质,便可减少运算量,提高解题的速度,要注意挖掘已知和隐含的条件.
(2)利用性质可以得到一些新数列仍为等比数列或为等差数列,例如:
①若{an}是等比数列,且an>0,则{logaan}(a>0且a≠1)是以logaa1为首项,logaq为公差的等差数列.
②若公比不为-1的等比数列{an}的前n项和为Sn,则Sn,S2n-Sn,S3n-S2n仍成等比数列,其公比为qn.如举例说明3.
2.牢记与等比数列前n项和Sn相关的几个结论
(1)项的个数的“奇偶”性质:等比数列{an}中,公比为q.
①若共有2n项,则S偶∶S奇=q;
②若共有2n+1项,则S奇-S偶=(q≠1且q≠-1),=q.
(2)分段求和:Sn+m=Sn+qnSm⇔qn=(q为公比).
1.(2019·青岛模拟)已知各项均为正数的等比数列{an}的前n项和为Sn,且满足a6,3a4,-a5成等差数列,则=( )
A.3 B.9
C.10 D.13
答案 C
解析 设等比数列{an}的公比为q,因为a6,3a4,-a5成等差数列,所以6a4=a6-a5,所以6a4=a4(q2-q).由题意得a4>0,q>0.所以q2-q-6=0,解得q=3,所以==1+q2=10.
2.已知等比数列{an}满足a1=3,a1+a3+a5=21,则a3+a5+a7=( )
A.21 B.42
C.63 D.84
答案 B
解析 设{an}的公比为q,由a1=3,a1+a3+a5=21得1+q2+q4=7,解得q2=2(负值舍去).∴a3+a5+a7=a1q2+a3q2+a5q2=(a1+a3+a5)q2=21×2=42.故选B.
3.各项均为正数的等比数列{an}的前n项和为Sn,若Sn=2,S3n=14,则S4n等于( )
A.80 B.30
C.26 D.16
答案 B
解析 由题意知公比大于0,由等比数列的性质知Sn,S2n-Sn,S3n-S2n,S4n-S3n,…仍为等比数列.设S2n=x,则2,x-2,14-x成等比数列.由(x-2)2=2×(14-x),解得x=6或x=-4(舍去).∴Sn,S2n-Sn,S3n-S2n,S4n-S3n,…是首项为2,公比为2的等比数列.
又S3n=14,∴S4n=14+2×23=30.故选B.
组 基础关
1.(2019·全国卷Ⅲ)已知各项均为正数的等比数列{an}的前4项和为15,且a5=3a3+4a1,则a3=( )
A.16 B.8
C.4 D.2
答案 C
解析 由题意知
解得∴a3=a1q2=4.故选C.
2.(2020·新乡调研)已知各项均不为0的等差数列{an}满足a3-+a11=0,数列{bn}为等比数列,且b7=a7,则b1·b13=( )
A.25 B.16
C.8 D.4
答案 B
解析 由a3-+a11=0,得2a7-=0,a7=4,所以b7=4,b1·b13=b=16.
3.(2020·天津武清区模拟)设{an}是首项大于零的等比数列,则“a A.充分而不必要条件
B.必要而不充分条件
C.充分必要条件
D.既不充分也不必要条件
答案 B
解析 设公比为q,若a1,则q>1或q<-1,当q<-1时,数列为摆动数列,则“数列{an}为递增数列”不成立,即充分性不成立,若“数列{an}为递增数列”,则a10,∴a2>0,则“a
4.(2019·淄博模拟)已知{an}是等比数列,若a1=1,a6=8a3,数列的前n项和为Tn,则T5=( )
A. B.31
C. D.7
答案 A
解析 设等比数列{an}的公比为q,则q3===8,故q=2.易证数列是首项为=1,公比为的等比数列,所以T5==.
5.设公比为q(q>0)的等比数列{an}的前n项和为Sn.若S2=3a2+2,S4=3a4+2,则a1等于( )
A.-2 B.-1
C. D.
答案 B
解析 将已知两式作差得S4-S2=3a4-3a2,所以a3+a4=3a4-3a2,即3a2+a2q-2a2q2=0.所以2q2-q-3=0,解得q=或q=-1(舍去).将q=代入S2=3a2+2,即a1+a1q=3a1q+2,解得a1=-1.
6.(2019·郑州模拟)等比数列{an}的前n项和为Sn,若S2n=4(a1+a3+…+a2n-1),a1a2a3=-27,则a5=( )
A.81 B.24
C.-81 D.-24
答案 C
解析 解法一:易知等比数列{an}的公比q≠1,由S2n=4(a1+a3+…+a2n-1),可得=4×,解得q=3.由a1a2a3=a=-27,得a2=-3,所以a5=a2q3=-3×33=-81.故选C.
解法二:当n=1时,S2=a1+a2=4a1,即a2=3a1,所以q=3.又a1a2a3=a=-27,所以a2=-3,所以a5=a2q3=-3×33=-81.故选C.
7.(2019·南昌模拟)在等比数列{an}中,a1+an=66,a2an-1+a3an-2=256,且前n项和Sn=126,则n= ( )
A.2 B.4
C.6 D.8
答案 C
解析 因为数列{an}是等比数列,所以a2an-1=a3an-2=a1an,又因为a2an-1+a3an-2=256,所以a1an=128,又因为a1+an=66.所以a1=2,an=64或a1=64,an=2.因为Sn=,且Sn=126,所以若a1=2,an=64,则=126,得q=2.此时an=2×2n-1=2n=64,n=6;若a1=64,an=2,则=126,得q=,此时an=64×n-1=2,得n=6.综上知,n=6.
8.已知等比数列{an}满足a1=,a3a5=4(a4-1),则q=________.
答案 2
解析 由等比数列的性质得a=a3a5,又因为a3a5=4(a4-1),所以a=4(a4-1),解得a4=2.又a1=,所以q3==8,解得q=2.
9.设等比数列{an}的前n项和为Sn,若S10∶S5=1∶2,则S15∶S5=________.
答案 3∶4
解析 因为S10∶S5=1∶2,所以设S5=2a,S10=a(a≠0),
因为S5,S10-S5,S15-S10成等比数列,即2a,-a,S15-a成等比数列,所以(-a)2=2a(S15-a),解得S15=,所以S15∶S5=3∶4.
10.已知{an}是等比数列,a2=2,a5=,则a1a2+a2a3+…+anan+1等于________.
答案
解析 因为{an}是等比数列,a2=2,a5=,所以q3==,则q=,所以=q2=(n≥2).
所以数列{anan+1}是以8为首项,为公比的等比数列.所以a1a2+a2a3+…+anan+1==.
组 能力关
1.(2018·北京高考)“十二平均律”是通用的音律体系,明代朱载堉最早用数学方法计算出半音比例,为这个理论的发展做出了重要贡献.十二平均律将一个纯八度音程分成十二份,依次得到十三个单音,从第二个单音起,每一个单音的频率与它的前一个单音的频率的比都等于.若第一个单音的频率为f,则第八个单音的频率为( )
A.f B.f
C.f D.f
答案 D
解析 由已知,单音的频率构成一个首项为f,公比为的等比数列,记为{bn},共有13项.由等比数列的通项公式可知,b8=b1q7=f×()7=f.
2.(2019·湖北“四地七校”联考)若数列{an}是公比不为1的等比数列,且a2018+a2020=dx,则a2017·(a2019+2a2021+a2023)=( )
A.4π2 B.2π2
C.π2 D.3π2
答案 C
解析 由题意,dx=π×22=π,则a2018+a2020=π,设等比数列{an}的公比为q,则a2019+2a2021+a2023=(a2018+a2020)q+(a2018+a2020)q3=π(q+q3),故a2017(a2019+2a2021+a2023)=πa2017(q+q3)=π(a2018+a2020)=π2.故选C.
3.若数列{an+1-an}是等比数列,且a1=1,a2=2,a3=5,则an=________.
答案
解析 因为a1=1,a2=2,a3=5,
所以a2-a1=1,a3-a2=3.
所以等比数列{an+1-an}的首项为1,公比为3,
所以an+1-an=1×3n-1.
所以a2-a1=1,
a3-a2=3,
…
an-an-1=3n-2,
以上各式相加得an-a1=1+3+…+3n-2==,又a1=1,所以an=(n≥2).
当n=1时,a1=1,也满足上式,所以an=.
4.(2019·全国卷Ⅱ)已知数列{an}和{bn}满足a1=1,b1=0,4an+1=3an-bn+4,4bn+1=3bn-an-4.
(1)证明:{an+bn}是等比数列,{an-bn}是等差数列;
(2)求{an}和{bn}的通项公式.
解 (1)证明:由题设得4(an+1+bn+1)=2(an+bn),
即an+1+bn+1=(an+bn).又因为a1+b1=1,
所以{an+bn}是首项为1,公比为的等比数列.
由题设得4(an+1-bn+1)=4(an-bn)+8,
即an+1-bn+1=an-bn+2.
又因为a1-b1=1,
所以{an-bn}是首项为1,公差为2的等差数列.
(2)由(1)知,an+bn=,an-bn=2n-1,
所以an=[(an+bn)+(an-bn)]=+n-,
bn=[(an+bn)-(an-bn)]=-n+.
5.已知数列{an}中,a1=1,an·an+1=n,记T2n为{an}的前2n项的和,bn=a2n+a2n-1,n∈N*.
(1)判断数列{bn}是否为等比数列,并求出bn;
(2)求T2n.
解 (1)∵an·an+1=n,
∴an+1·an+2=n+1,
∴=,即an+2=an.∵bn=a2n+a2n-1,
∴===,
∵a1=1,a1·a2=,∴a2=,∴b1=a1+a2=.
∴{bn}是首项为,公比为的等比数列.
∴bn=×n-1=.
(2)由(1)可知,an+2=an,
∴a1,a3,a5,…是以a1=1为首项,以为公比的等比数列;a2,a4,a6,…是以a2=为首项,以为公比的等比数列,
∴T2n=(a1+a3+…+a2n-1)+(a2+a4+…+a2n)=+=3-.
第3讲 等比数列及其前n项和
[考纲解读] 1.理解等比数列的概念及等比数列与指数函数的关系.
2.掌握等比数列的通项公式与前n项和公式,并熟练掌握其推导方法,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.(重点)
3.熟练掌握等比数列的基本运算和相关性质.(难点)
[考向预测] 从近三年高考情况来看,本讲一直是高考中的重点.预测2021年高考将会以等比数列的通项公式及其性质、等比数列的前n项和为考查重点,也可能将等比数列的通项、前n项和及性质综合考查,此外,还可能会与等差数列综合考查.题型以客观题或解答题的形式呈现,属中档题型.
1.等比数列的有关概念
(1)等比数列的定义
一般地,如果一个数列从第2项起,每一项与它的前一项的比等于同一常数,那么这个数列叫做等比数列,这个常数叫做等比数列的公比,公比通常用字母q(q≠0)表示.数学语言表达:=q(n≥2),q为常数,q≠0.
(2)等比中项
如果a,G,b成等比数列,那么G叫做a与b的等比中项.即:G是a与b的等比中项⇔a,G,b成等比数列⇔G2=ab.
2.等比数列的通项公式及前n项和公式
(1)若等比数列{an}的首项为a1,公比是q,则其通项公式为an=a1qn-1;可推广为an=amqn-m.
(2)等比数列的前n项和公式:当q=1时,Sn=na1;当q≠1时,Sn==.
3.等比数列的相关性质
设数列{an}是等比数列,Sn是其前n项和.
(1)若m+n=p+q,则aman=apaq,其中m,n,p,q∈N*.特别地,若2s=p+r,则apar=a,其中p,s,r∈N*.
(2)相隔等距离的项组成的数列仍是等比数列,即ak,ak+m,ak+2m,…仍是等比数列,公比为qm(k,m∈N*).
(3)若数列{an},{bn}是两个项数相同的等比数列,则数列{ban},{pan·qbn}和(其中b,p,q是非零常数)也是等比数列.
(4)Sm+n=Sn+qnSm=Sm+qmSn.
(5)当q≠-1或q=-1且k为奇数时,Sk,S2k-Sk,S3k-S2k,…是等比数列,公比为qk.当q=-1且k为偶数时,Sk,S2k-Sk,S3k-S2k,…不是等比数列.
(6)若a1·a2·…·an=Tn,则Tn,,,…成等比数列.
(7)若数列{an}的项数为2n,则=q;若项数为2n+1,则=q.
1.概念辨析
(1)满足an+1=qan(n∈N*,q为常数)的数列{an}为等比数列.( )
(2)G为a,b的等比中项⇔G2=ab.( )
(3)如果数列{an}为等比数列,则数列{lg an}是等差数列.( )
(4)若数列{an}的通项公式是an=an,则其前n项和为Sn=.( )
(5)若数列{an}为等比数列,则S4,S8-S4,S12-S8成等比数列.
答案 (1)× (2)× (3)× (4)× (5)×
2.小题热身
(1)在等比数列{an}中,a3=2,a7=8,则a5等于( )
A.5 B.±5
C.4 D.±4
答案 C
解析 设等比数列{an}的公比为q,则q4===4,q2=2,所以a5=a3q2=2×2=4.
(2)对任意等比数列{an},下列说法一定正确的是( )
A.a1,a3,a9成等比数列
B.a2,a3,a6成等比数列
C.a2,a4,a8成等比数列
D.a3,a6,a9成等比数列
答案 D
解析 不妨设公比为q,则a=aq4,a1·a9=aq8,a2·a6=aq6,当q≠±1时,知A,B均不正确;又a=aq6,a2·a8=aq8,同理,C不正确;由a=aq10,a3·a9=aq10,知D正确.故选D.
(3)等比数列{an}的前n项和为Sn,已知S3=a2+10a1,a5=9,则a1=( )
A. B.-
C. D.-
答案 C
解析 由已知条件及S3=a1+a2+a3,得a3=9a1,设数列{an}的公比为q,则q2=9,所以a5=9=a1·q4=81a1,得a1=.
(4)数列{an}中a1=2,an+1=2an,Sn为{an}的前n项和,若Sn=126,则n=________.
答案 6
解析 因为a1=2,an+1=2an,所以an≠0,故=2.
所以数列{an}是公比为2的等比数列,因为Sn=126,所以=126,所以2n=64,故n=6.
题型 一 等比数列基本量的运算
1.《九章算术》第三章“衰分”介绍比例分配问题:“衰分”是按比例递减分配的意思,通常称递减的比例(百分比)为“衰分比”.如:甲、乙、丙、丁衰分得100,60,36,21.6个单位,递减的比例为40%,今共有粮m(m>0)石,按甲、乙、丙、丁的顺序进行“衰分”,已知丙衰分得80石,乙、丁衰分所得的和为164石,则“衰分比”与m的值分别为( )
A.20% 369 B.80% 369
C.40% 360 D.60% 365
答案 A
解析 设“衰分比”为a,甲衰分得b石,
由题意得
解得b=125,a=20%,m=369.故选A.
2.(2019·全国卷Ⅰ)记Sn为等比数列{an}的前n项和.若a1=,a=a6,则S5=________.
答案
解析 由a=a6,得(a1q3)2=a1q5,整理得q==3.∴S5==.
3.设等比数列{an}的前n项和为Sn,已知a3=,S3=.
(1)求数列{an}的通项公式;
(2)设bn=log2,求数列{bn}的前n项和Tn.
解 (1)①当公比q=1时,
∵a3=,S3=,
∴an=;
②当q≠1时,
∵a3=,S3=,
∴a1q2=,=,
解得a1=6,q=-,
此时an=6·n-1.
综上所述,数列{an}的通项公式为
an=或an=6·n-1.
(2)①当an=时,bn=log2=2,
故Tn=2n;
②当an=6·n-1时,
bn=log2=2n,
此时Tn=2·=n(n+1).
综上所述,Tn=2n或Tn=n(n+1).
1.等比数列基本运算中的两种常用数学思想
方程
的思想
等比数列中有五个量a1,n,q,an,Sn,一般可以“知三求二”,通过列方程(组)求关键量a1和q,问题可迎刃而解.如举例说明2
分类讨论
的思想
等比数列的前n项和公式涉及对公比q的分类讨论,当q=1时,{an}的前n项和Sn=na1;当q≠1时,{an}的前n项和Sn==.如举例说明3
2.等比数列的基本运算方法
(1)等比数列可以由首项a1和公比q确定,所有关于等比数列的计算和证明,都可围绕a1和q进行.
(2)对于等比数列问题,一般给出两个条件,就可以通过列方程(组)求出a1,q.如果再给出第三个条件就可以完成a1,n,q,an,Sn的“知三求二”问题.
1.等比数列{an}的前n项和为Sn=32n-1+r,则r的值为( )
A. B.-
C. D.-
答案 B
解析 当n≥2时,an=Sn-Sn-1=32n-1+r-32n-3-r=8·32n-3,
当n=1时,a1=S1=32-1+r=3+r,
∵数列是等比数列,∴a1满足an=8·32n-3,
即8·32-3=3+r=,即r=-,故选B.
2.(2020·滨海新区期中)已知递增等比数列{an}的第三项、第五项、第七项的积为512,且这三项分别减去1,3,9后成等差数列.
(1)求{an}的首项和公比;
(2)设Sn=a+a+…+a,求Sn.
解 (1)根据等比数列的性质,可得a3·a5·a7=a=512,解得a5=8.
设数列{an}的公比为q,则a3=,a7=8q2,
由题设可得+(8q2-9)=2×(8-3)=10,
解得q2=2或.
∵{an}是递增数列,可得q>1,∴q2=2,得q=.
因此a5=a1q4=4a1=8,解得a1=2.
(2)由(1)得{an}的通项公式为
an=a1qn-1=2×()n-1=()n+1,
∴a=[()n+1]2=2n+1,
可得{a}是以4为首项,2为公比的等比数列.
因此Sn=a+a+…+a==2n+2-4.
题型 二 等比数列的判定与证明
(2018·全国卷Ⅰ)已知数列{an}满足a1=1,nan+1=2(n+1)an,设bn=.
(1)求b1,b2,b3;
(2)判断数列{bn}是否为等比数列,并说明理由;
(3)求{an}的通项公式.
解 (1)由条件可得an+1=an.
将n=1代入,得a2=4a1,而a1=1,所以a2=4.
将n=2代入,得a3=3a2,所以a3=12.
从而b1=1,b2=2,b3=4.
(2){bn}是首项为1,公比为2的等比数列.
由题设条件可得=,即bn+1=2bn,
又b1=1,所以{bn}是首项为1,公比为2的等比数列.
(3)由(2)可得=2n-1,所以an=n·2n-1.
条件探究1 将本例中的条件改为“a1=1,a-(2an+1-1)an-2an+1=0,且an>0”,求{an}的通项公式.
解 由a-(2an+1-1)an-2an+1=0,得
2an+1(an+1)=an(an+1).
因为{an}的各项都为正数,所以=.
故{an}是首项为1,公比为的等比数列,
因此an=.
条件探究2 将本例中的条件改为“a1=3,an+an-1=anan-1(n≥2,且n∈N)”.
求证数列是等比数列,并求出an.
解 ∵an+an-1=anan-1,∴+=1,
∴=-+1,∴-=-(n≥2),
∴是以-=-为首项,-1为公比的等比数列.
∴-=-×(-1)n-1,∴an=.
等比数列的判定方法
(1)定义法:若=q(q为非零常数,n∈N*)或=q(q为非零常数且n≥2,n∈N*),则{an}是等比数列.见举例说明(2).
(2)等比中项公式法:若数列{an}中,an≠0且a=an·an+2(n∈N*),则数列{an}是等比数列.
(3)通项公式法:若数列通项公式可写成an=c·qn(c,q均是不为0的常数,n∈N*),则{an}是等比数列.
(4)前n项和公式法:若数列{an}的前n项和Sn=k·qn-k(k为常数且k≠0,q≠0,1),则{an}是等比数列.
提醒:(1)前两种方法是判定等比数列的常用方法,常用于证明;后两种方法常用于选择题、填空题中的判定.
(2)若要判定一个数列不是等比数列,则只需判定存在连续三项不成等比数列即可.
1.已知{an},{bn}都是等比数列,那么( )
A.{an+bn},{an·bn}都一定是等比数列
B.{an+bn}一定是等比数列,但{an·bn}不一定是等比数列
C.{an+bn}不一定是等比数列,但{an·bn}一定是等比数列
D.{an+bn},{an·bn}都不一定是等比数列
答案 C
解析 an=1,bn=(-1)n,
则{an},{bn}都是等比数列,但{an+bn}不是等比数列;
设等比数列{an}的公比为p,等比数列{bn}的公比为q,
则=·=pq.
所以数列{an·bn}一定是等比数列.
2.设数列{an}的前n项和为Sn,满足:Sn+an=,n=1,2,…,n.
(1)求证:数列是等比数列;
(2)求Sn.
解 (1)证明:由题意,n=1时,S1+a1=0,
即a1=0,n≥2时,Sn+Sn-Sn-1=2Sn-Sn-1==-,
所以Sn-=,S1-=-,
所以数列是以-为首项,为公比的等比数列.
(2)由(1)知,Sn-=n-1=-n,所以Sn=-n.
题型 三 等比数列前n项和及性质的应用
角度1 等比数列通项的性质
1.已知数列{an}是递增的等比数列,且a4a6-2a+a2a4=144,则a5-a3=( )
A.6 B.8
C.10 D.12
答案 D
解析 ∵{an}是递增的等比数列,∴由a4a6-2a+a2a4=144,a5-a3>0,可得a-2a3a5+a=144,(a5-a3)2=144,∴a5-a3=12,故选D.
2.(2019·开封模拟)已知数列{an}满足log2an+1=1+log2an(n∈N*),且a1+a2+a3+…+a10=1,则log2(a101+a102+…+a110)=________.
答案 100
解析 由log2an+1=1+log2an,
可得log2an+1=log22an,
所以an+1=2an,所以数列{an}是以a1为首项,2为公比的等比数列,
又a1+a2+…+a10=1,所以a101+a102+…+a110=(a1+a2+…+a10)×2100=2100,
所以log2(a101+a102+…+a110)=log22100=100.
角度2 等比数列的前n项和的性质
3.(2019·丽水模拟)设各项都是正数的等比数列{an}的前n项和为Sn,且S10=10,S30=70,那么S40等于( )
A.150 B.-200
C.150或-200 D.400或-50
答案 A
解析 易知S10,S20-S10,S30-S20,S40-S30成等比数列,因此有(S20-S10)2=S10(S30-S20),即(S20-10)2=10(70-S20),故S20=-20或S20=30.又S20>0,所以S20=30,S20-S10=20,S30-S20=40,故S40-S30=80,所以S40=150.故选A.
4.(2020·池州高三上学期期末)已知等比数列{an}的公比q=2,前100项和为S100=90,则其偶数项a2+a4+…+a100为( )
A.15 B.30
C.45 D.60
答案 D
解析 设S=a1+a3+…+a99,则a2+a4+…+a100=(a1+a3+…+a99)q=2S,又因为S100=a1+a2+a3+…+a100=90,所以3S=90,S=30,
所以a2+a4+…+a100=2S=60.
1.掌握运用等比数列性质解题的两个技巧
(1)在等比数列的基本运算问题中,一般是列出a1,q满足的方程组求解,但有时运算量较大,如果可利用等比数列的性质,便可减少运算量,提高解题的速度,要注意挖掘已知和隐含的条件.
(2)利用性质可以得到一些新数列仍为等比数列或为等差数列,例如:
①若{an}是等比数列,且an>0,则{logaan}(a>0且a≠1)是以logaa1为首项,logaq为公差的等差数列.
②若公比不为-1的等比数列{an}的前n项和为Sn,则Sn,S2n-Sn,S3n-S2n仍成等比数列,其公比为qn.如举例说明3.
2.牢记与等比数列前n项和Sn相关的几个结论
(1)项的个数的“奇偶”性质:等比数列{an}中,公比为q.
①若共有2n项,则S偶∶S奇=q;
②若共有2n+1项,则S奇-S偶=(q≠1且q≠-1),=q.
(2)分段求和:Sn+m=Sn+qnSm⇔qn=(q为公比).
1.(2019·青岛模拟)已知各项均为正数的等比数列{an}的前n项和为Sn,且满足a6,3a4,-a5成等差数列,则=( )
A.3 B.9
C.10 D.13
答案 C
解析 设等比数列{an}的公比为q,因为a6,3a4,-a5成等差数列,所以6a4=a6-a5,所以6a4=a4(q2-q).由题意得a4>0,q>0.所以q2-q-6=0,解得q=3,所以==1+q2=10.
2.已知等比数列{an}满足a1=3,a1+a3+a5=21,则a3+a5+a7=( )
A.21 B.42
C.63 D.84
答案 B
解析 设{an}的公比为q,由a1=3,a1+a3+a5=21得1+q2+q4=7,解得q2=2(负值舍去).∴a3+a5+a7=a1q2+a3q2+a5q2=(a1+a3+a5)q2=21×2=42.故选B.
3.各项均为正数的等比数列{an}的前n项和为Sn,若Sn=2,S3n=14,则S4n等于( )
A.80 B.30
C.26 D.16
答案 B
解析 由题意知公比大于0,由等比数列的性质知Sn,S2n-Sn,S3n-S2n,S4n-S3n,…仍为等比数列.设S2n=x,则2,x-2,14-x成等比数列.由(x-2)2=2×(14-x),解得x=6或x=-4(舍去).∴Sn,S2n-Sn,S3n-S2n,S4n-S3n,…是首项为2,公比为2的等比数列.
又S3n=14,∴S4n=14+2×23=30.故选B.
组 基础关
1.(2019·全国卷Ⅲ)已知各项均为正数的等比数列{an}的前4项和为15,且a5=3a3+4a1,则a3=( )
A.16 B.8
C.4 D.2
答案 C
解析 由题意知
解得∴a3=a1q2=4.故选C.
2.(2020·新乡调研)已知各项均不为0的等差数列{an}满足a3-+a11=0,数列{bn}为等比数列,且b7=a7,则b1·b13=( )
A.25 B.16
C.8 D.4
答案 B
解析 由a3-+a11=0,得2a7-=0,a7=4,所以b7=4,b1·b13=b=16.
3.(2020·天津武清区模拟)设{an}是首项大于零的等比数列,则“a A.充分而不必要条件
B.必要而不充分条件
C.充分必要条件
D.既不充分也不必要条件
答案 B
解析 设公比为q,若a1,则q>1或q<-1,当q<-1时,数列为摆动数列,则“数列{an}为递增数列”不成立,即充分性不成立,若“数列{an}为递增数列”,则a1
A. B.31
C. D.7
答案 A
解析 设等比数列{an}的公比为q,则q3===8,故q=2.易证数列是首项为=1,公比为的等比数列,所以T5==.
5.设公比为q(q>0)的等比数列{an}的前n项和为Sn.若S2=3a2+2,S4=3a4+2,则a1等于( )
A.-2 B.-1
C. D.
答案 B
解析 将已知两式作差得S4-S2=3a4-3a2,所以a3+a4=3a4-3a2,即3a2+a2q-2a2q2=0.所以2q2-q-3=0,解得q=或q=-1(舍去).将q=代入S2=3a2+2,即a1+a1q=3a1q+2,解得a1=-1.
6.(2019·郑州模拟)等比数列{an}的前n项和为Sn,若S2n=4(a1+a3+…+a2n-1),a1a2a3=-27,则a5=( )
A.81 B.24
C.-81 D.-24
答案 C
解析 解法一:易知等比数列{an}的公比q≠1,由S2n=4(a1+a3+…+a2n-1),可得=4×,解得q=3.由a1a2a3=a=-27,得a2=-3,所以a5=a2q3=-3×33=-81.故选C.
解法二:当n=1时,S2=a1+a2=4a1,即a2=3a1,所以q=3.又a1a2a3=a=-27,所以a2=-3,所以a5=a2q3=-3×33=-81.故选C.
7.(2019·南昌模拟)在等比数列{an}中,a1+an=66,a2an-1+a3an-2=256,且前n项和Sn=126,则n= ( )
A.2 B.4
C.6 D.8
答案 C
解析 因为数列{an}是等比数列,所以a2an-1=a3an-2=a1an,又因为a2an-1+a3an-2=256,所以a1an=128,又因为a1+an=66.所以a1=2,an=64或a1=64,an=2.因为Sn=,且Sn=126,所以若a1=2,an=64,则=126,得q=2.此时an=2×2n-1=2n=64,n=6;若a1=64,an=2,则=126,得q=,此时an=64×n-1=2,得n=6.综上知,n=6.
8.已知等比数列{an}满足a1=,a3a5=4(a4-1),则q=________.
答案 2
解析 由等比数列的性质得a=a3a5,又因为a3a5=4(a4-1),所以a=4(a4-1),解得a4=2.又a1=,所以q3==8,解得q=2.
9.设等比数列{an}的前n项和为Sn,若S10∶S5=1∶2,则S15∶S5=________.
答案 3∶4
解析 因为S10∶S5=1∶2,所以设S5=2a,S10=a(a≠0),
因为S5,S10-S5,S15-S10成等比数列,即2a,-a,S15-a成等比数列,所以(-a)2=2a(S15-a),解得S15=,所以S15∶S5=3∶4.
10.已知{an}是等比数列,a2=2,a5=,则a1a2+a2a3+…+anan+1等于________.
答案
解析 因为{an}是等比数列,a2=2,a5=,所以q3==,则q=,所以=q2=(n≥2).
所以数列{anan+1}是以8为首项,为公比的等比数列.所以a1a2+a2a3+…+anan+1==.
组 能力关
1.(2018·北京高考)“十二平均律”是通用的音律体系,明代朱载堉最早用数学方法计算出半音比例,为这个理论的发展做出了重要贡献.十二平均律将一个纯八度音程分成十二份,依次得到十三个单音,从第二个单音起,每一个单音的频率与它的前一个单音的频率的比都等于.若第一个单音的频率为f,则第八个单音的频率为( )
A.f B.f
C.f D.f
答案 D
解析 由已知,单音的频率构成一个首项为f,公比为的等比数列,记为{bn},共有13项.由等比数列的通项公式可知,b8=b1q7=f×()7=f.
2.(2019·湖北“四地七校”联考)若数列{an}是公比不为1的等比数列,且a2018+a2020=dx,则a2017·(a2019+2a2021+a2023)=( )
A.4π2 B.2π2
C.π2 D.3π2
答案 C
解析 由题意,dx=π×22=π,则a2018+a2020=π,设等比数列{an}的公比为q,则a2019+2a2021+a2023=(a2018+a2020)q+(a2018+a2020)q3=π(q+q3),故a2017(a2019+2a2021+a2023)=πa2017(q+q3)=π(a2018+a2020)=π2.故选C.
3.若数列{an+1-an}是等比数列,且a1=1,a2=2,a3=5,则an=________.
答案
解析 因为a1=1,a2=2,a3=5,
所以a2-a1=1,a3-a2=3.
所以等比数列{an+1-an}的首项为1,公比为3,
所以an+1-an=1×3n-1.
所以a2-a1=1,
a3-a2=3,
…
an-an-1=3n-2,
以上各式相加得an-a1=1+3+…+3n-2==,又a1=1,所以an=(n≥2).
当n=1时,a1=1,也满足上式,所以an=.
4.(2019·全国卷Ⅱ)已知数列{an}和{bn}满足a1=1,b1=0,4an+1=3an-bn+4,4bn+1=3bn-an-4.
(1)证明:{an+bn}是等比数列,{an-bn}是等差数列;
(2)求{an}和{bn}的通项公式.
解 (1)证明:由题设得4(an+1+bn+1)=2(an+bn),
即an+1+bn+1=(an+bn).又因为a1+b1=1,
所以{an+bn}是首项为1,公比为的等比数列.
由题设得4(an+1-bn+1)=4(an-bn)+8,
即an+1-bn+1=an-bn+2.
又因为a1-b1=1,
所以{an-bn}是首项为1,公差为2的等差数列.
(2)由(1)知,an+bn=,an-bn=2n-1,
所以an=[(an+bn)+(an-bn)]=+n-,
bn=[(an+bn)-(an-bn)]=-n+.
5.已知数列{an}中,a1=1,an·an+1=n,记T2n为{an}的前2n项的和,bn=a2n+a2n-1,n∈N*.
(1)判断数列{bn}是否为等比数列,并求出bn;
(2)求T2n.
解 (1)∵an·an+1=n,
∴an+1·an+2=n+1,
∴=,即an+2=an.∵bn=a2n+a2n-1,
∴===,
∵a1=1,a1·a2=,∴a2=,∴b1=a1+a2=.
∴{bn}是首项为,公比为的等比数列.
∴bn=×n-1=.
(2)由(1)可知,an+2=an,
∴a1,a3,a5,…是以a1=1为首项,以为公比的等比数列;a2,a4,a6,…是以a2=为首项,以为公比的等比数列,
∴T2n=(a1+a3+…+a2n-1)+(a2+a4+…+a2n)=+=3-.
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