内容正文:
第3节 等比数列
第五章 数 列
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第五章 数 列
高考总复习 人教数学B版(新教材)
跃升 关键能力
02
课后 素养提能
03
夯实 必备知识
01
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课时作业
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最新课程标准
教师专享
核心素养
考情聚焦
1.通过实例,理解等比数列的概念.
2.探索并掌握等比数列的通项公式与前n项和的公式.
3.能在具体的问题情境中,发现数列的等比关系,并能用有关知识解决相应的问题.
4.体会等比数列与指数函数的关系
1.等比数列的基本运算,达成逻辑推理和数学运算素养.
2.等比数列的判定与证明,发展数学抽象和数学运算素养.
3.等比数列的性质及应用,提升逻辑推理和数学运算素养
等比数列的定义、通项公式及前n项和公式,等比数列的性质,以及求a1、q、an、n、Sn的基本运算是高考的热点.高考考查形式多样,选择题、填空题主要考查等比数列的基本运算和性质,难度不大.在解答题中常与等差数列、数列求和等问题综合考查,难度中等
1.等比数列的概念
(1)一般地,如果数列{an}从第2项起,每一项与它的前一项之比都等于同一个常数q,即eq \f(an+1,an)=q恒成立,则称{an}为等比数列,其中q称为等比数列的公比.
(2)如果x,G,y是等比数列,那么称G为x与y的等比中项,其中G=±eq \r(xy).
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 ;
通项公式的推广: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= eq \f(a11-qn,1-q) =eq \f(a1-anq,1-q).
推广:当q≠0,1时,{an}是等比数列⇔Sn=Aqn-A(A为常数且A≠0).
3.等比数列的性质
已知{an}是等比数列,Sn是数列{an}的前n项和.
(1)若s+t=p+q,则asat= apaq ,其中s,t,p,q∈N+,特别地,若2s=p+q,则apaq=aeq \o\al(2,s),其中p,s,q∈N+.
(2)等比数列{an}的单调性
当q>1,a1>0或0<q<1,a1<0时,数列{an}是 递增 数列;
当q>1,a1<0或0<q<1,a1>0时,数列{an}是 递减 数列;
当q=1时,数列{an}是 常数列 .
(3)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+).
(4)当q≠-1,或q=-1且n为奇数时,Sn,S2n-Sn,S3n-S2n仍成等比数列,其公比为 qn .
等比数列的主要性质
设数列{an}是首项为a1,公比是q的等比数列,Sn是其前n项和.
1.若数列{an},{bn}是两个项数相同的等比数列,则数列{ban},{pan·qbn}和eq \b\lc\{\rc\}(\a\vs4\al\co1(\f(pan,qbn)))(其中b,p,q是非零常数)也是等比数列.
2.Sm+n=Sn+qnSm=Sm+qmSn.
3.若a1·a2·…·an=Tn,则Tn,eq \f(T2n,Tn),eq \f(T3n,T2n),…成等比数列.
4.若数列{an}的项数为2n,则eq \f(S偶,S奇)=q;若项数为2n+1,则eq \f(S奇-a1,S偶)=q.
5.等比数列{an}的单调性
当eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(a1>0,,q>1))或eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(a1<0,,0<q<1))时,{an}为递增数列,当eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(a1>0,,0<q<1))或eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(a1<0,,q>1))时,{an}为递减数列.
◆[思考辨析]
判断下列说法是否正确,正确的在它后面的括号里打“√”,错误的打“×”.
(1)若一个数列从第2项起每一项与它的前一项的比都是常数,则这个数列是等比数列.( )
(2)三个数a,b,c成等比数列的充要条件是b2=ac.( )
(3)满足an+1=qan(n∈N+,q为常数)的数列{an}为等比数列.( )
(4)如果{an}为等比数列,bn=a2n-1+a2n,则数列{bn}也是等比数列.( )
(5)如果数列{an}为等比数列,则数列{ln an}是等差数列.( )
答案:(1)× (2)× (3)× (4)× (5)×
◆[小题查验]
1.(教材改编)已知等比数列{an}的前3项和为168,a2-a5=42,则a6=( )
A.14
B.12
C.6
D.3
解析:D [设等比数列{an}首项为a1,公比为q,由题意eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(a1+a2+a3=168,a2-a5=42)),即eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(a11+q+q2=168,a1q1-q3=42)),
即eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(a11+q+q2=168,a1q1-q1+q+q2=42)),解得q=eq \f(1,2),a1=96,所以a6=a1q5=3.]
2.我国古代数学名著《算法统宗》中有如下问题:“远望巍巍塔七层,红光点点倍加增,共灯三百八十一,请问尖头几盏灯?”意思是:一座7层塔共挂了381盏灯,且相邻两层中的下一层灯数是上一层灯数的2倍,则塔的顶层共有灯( )
A.1盏
B.3盏
C.5盏
D.9盏
解析:B [设顶层灯数为a1,q=2 ,S7=eq \f(a11-27,1-2)=381,解得a1=3.]
3.(教材改编)已知{an}为等比数列,a4+a7=2,a5a6=-8,则a1+a10等于( )
A.7
B.5
C.-5
D.-7
解析:D [法一:由题意得
eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(a4+a7=a1q3+a1q6=2,,a5a6=a1q4×a1q5=a\o\al(2,1)q9=-8,))
∴eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(q3=-2,,a1=1))或eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(q3=-\f(1,2),,a1=-8,))∴a1+a10=a1(1+q9)=-7.
法二:由eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(a4+a7=2,,a5a6=a4a7=-8))解得eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(a4=-2,,a7=4))或eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(a4=4,,a7=-2.))
∴eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(q3=-2,,a1=1))或eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(q3=-\f(1,2),,a1=-8,))
∴a1+a10=a1(1+q9)=-7.]
4.(2023·全国甲卷)记Sn为等比数列{an}的前n项和.若8S6=7S3,则{an}的公比为 ________ .
解析:若q=1,则由8S6=7S3,得8×6a1=7×3a1,则a1=0,不合题意.所以q≠1.
当q≠1时,因为8S6=7S3,
所以8×eq \f(a11-q6,1-q)=7×eq \f(a11-q3,1-q),
即8×(1-q6)=7×(1-q3),即8×(1+q3)(1-q3)=7×(1-q3),即8×(1+q3)=7,解得q=-eq \f(1,2).
答案:-eq \f(1,2)
5.(2024·淄博模拟)已知等比数列{an},其前n项和为Sn.若a2=4,S3=14,则a3= ______ .
解析:设等比数列的公比为q,因为a2=4,S3=14,
所以a1+a3=10,即eq \f(a2,q)+a2q=10,
所以2q2-5q+2=0,解得q=2或q=eq \f(1,2),
所以当q=2时,a3=8;
当q=eq \f(1,2)时,a3=2.
所以a3=2或a3=8.
答案:2或8
等比数列的基本运算(基础点)
1.已知数列{an}是等比数列,若a5-a3=12,a6-a4=24,则a2 024=( )
A.22 023-1
B.22 023
C.22 024-1
D.22 024
解析:B [设公比为q,则q=eq \f(a6-a4,a5-a3)=2,
所以a3q2-a3=3a3=12,解得a3=4,
故a2 024=a3q2 021=4×22 021=22 023.]
2.(2023·新课标Ⅱ卷)记Sn为等比数列{an}的前n项和,若S4=-5,S6=21S2,则S8=( )
A.120
B.85
C.-85
D.-120
解析:C [由等比数列的性质可得S2,S4-S2,S6-S4,S8-S6,…,为等比数列,因此(S4-S2)2=S2(S6-S4),将S4=-5,S6=21S2代入上式,解得S2=-1(舍)或eq \f(5,4),此时S6=eq \f(105,4),由等比数列性质可知S4-S2,S6-S4,S8-S6为等比数列,解得S8=-85.]
3.(多选)在《增删算法统宗》中有这样一则故事:“三百七十八里关,初行健步不为难;次日脚痛减一半,如此六日过其关.”则下列说法正确的是( )
A.此人第二天走了九十六里路
B.此人第三天走的路程占全程的eq \f(1,8)
C.此人第一天走的路程比后五天走的路程多六里
D.此人后三天共走了42里路
解析:ACD [设此人第n天走an里路,则数列{an}是首项为a1,公比为q=eq \f(1,2)的等比数列,
因为S6=378,所以S6=eq \f(a1\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(1-\f(1,26))),1-\f(1,2))=378,解得a1=192,
对于A,由于a2=192×eq \f(1,2)=96,所以此人第二天走了九十六里路,所以A正确;
对于B,由于a3=192×eq \f(1,4)=48,eq \f(48,378)>eq \f(1,8),所以B不正确;
对于C,由于378-192=186,192-186=6,所以此人第一天走的路程比后五天走的路程多六里,所以C正确;
对于D,由于a4+a5+a6=192×eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,8)+\f(1,16)+\f(1,32)))=42,所以D正确.]
解决等比数列有关问题的常用思想方法
(1)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.
(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=eq \f(a11-qn,1-q)=eq \f(a1-anq,1-q).
提醒:运用等比数列的前n项和公式时,必须对q=1与q≠1分类讨论.
等比数列的判定与证明(师生共研)
[典例] 已知数列{an}满足a1=1,nan+1=2(n+1)an.设bn=eq \f(an,n).
(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.
核心素养
逻辑推理——等比数列判定与证明中的核心素养
根据等比数列的定义、性质等对一个数列是否是等比数列作出判断与证明,是从一般到特殊的推理,使学生学会有逻辑地思考问题,形成合乎逻辑的思维品质,是高中生必须具备的最基础又应用最广的一种核心素养.
信息提取
信息解读
数学运算、逻辑推理
已知数列{an}满足a1=1,
nan+1=2(n+1)an的递推关系式,求b1,b2,b3
先求出a2,a3,再利用bn=eq \f(an,n)求b1,b2,b3
着眼点1:数学运算:
(1)先求出a2,a3;
(2)再求出b1,b2,b3
判断数列{an}是否为等比数列,并说明理由
作出数列的类型作出判断并证明
着眼点2:逻辑推理:
定义法判定并证明数列{an}为等比数列
求{an}的通项公式
先求出数列{bn}的通项公式
着眼点3:数学运算:
(1)先求出数列{bn}的通项公式;
(2)再求出{an}的通项公式
[解] (1)由条件可得an+1=eq \f(2n+1,n)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.
由条件可得eq \f(an+1,n+1)=eq \f(2an,n),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eq \f(an,n)=2n-1,所以an=n·2n-1.
等比数列的判定方法
(1)定义法:若eq \f(an+1,an)=q(q为非零常数,n∈N+)或eq \f(an,an-1)=q(q为非零常数且n≥2,n∈N+),则{an}是等比数列.
(2)中项公式法:若数列{an}中,an≠0且aeq \o\al(2,n+1)=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-1(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,而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.
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)由题设得4(an+1+bn+1)=2(an+bn),即an+1+bn+1=eq \f(1,2)(an+bn).
又因为a1+b1=1,所以{an+bn}是首项为1,公比为eq \f(1,2)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=eq \f(1,2n-1),an-bn=2n-1,
所以an=eq \f(1,2)[(an+bn)+(an-bn)]=eq \f(1,2n)+n-eq \f(1,2),
bn=eq \f(1,2)[(an+bn)-(an-bn)]=eq \f(1,2n)-n+eq \f(1,2).
等比数列的性质及其应用
◆[命题角度1] 等比数列项的性质(基础点)
[典例1] (1)(2023·全国乙卷)已知{an}为等比数列,a2a4a5=a3a6,a9a10=-8,则a7= ________ .
解析:设{an}的公比为q(q≠0),则a2a4a5=a3a6=a2q·a5q,显然an≠0,
则a4=q2,即a1q3=q2,则a1q=1,因为a9a10=-8,则a1q8·a1q9=-8,
则q15=(q5)3=-8=(-2)3,则q5=-2,则a7=a1q·q5=1×(-2)=-2.
答案:-2
(2)已知正项等比数列{an}中,a2a2 023=4,则log2a1+log2a2+…+log2a2 024=( )
A.1 012
B.2 024
C.21 012
D.22 024
解析:B [正项等比数列{an}中,a2a2 023=4,
故a1a2 024=a2a2 023=a3a2 022=…=a1 012a1 013=4,
故log2a1+log2a2+…+log2a2 024=log2(a1a2…a2 023a2 024)
=log2(a1a2 024)(a2a2 023)…(a1 012a1 013)=log241 012=1 012log24=1 012×2=2 024.]
1.在等比数列{an}中,等距离取出若干项也构成一个等比数列,即an,an+k,an+2k,an+3k,…为等比数列,公比为qk.
2.在一个无穷等比数列中,其中任何一项都是和这项项数距离相等的两项的等比中项,即aeq \o\al(2,m)=am-k·am+k(m,k为正整数,且m>k).
[命题角度2] 等比数列前n项和的性质(应用点)
[典例2] 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= ________ .
核心素养
方程思想和整体思想——等比数列的性质及其应用中的核心素养根据等比数列的定义、性质,运用方程思想,整体思想,观察数列的特点求解问题,是高中生必须具备的一种核心素养.
各项均为正数的等比数列{an},Sn=2,S3n=14
由各项均为正数的等比数列{an}可得公比大于零;由Sn=2,S3n=14,可用等比数列的前n项和公式,使用方程的思想求首项和公比,或观察项数特点使用等比数列前n项和的性质解决
方法一:利用等比数列前n项和的性质:Sn,S2n-Sn,S3n-S2n,S4n-S3n成等比数列,先求出S2n=6,再求S4n
方法二:由Sn=2,S3n=14,列出方程组
利用整体思想,求出qn=2和eq \f(a1,1-q)=-2,从而求出S4n
方法一:(S2n-Sn)2=Sn(S3n-S2n),代入数据求出S2n=6;再求S4n.
方法二:由Sn=2,S3n=14,列出方程组
求出qn=2和eq \f(a1,1-q)=-2,从而求出S4n.
注意:利用方程思想求得整体qn=2和eq \f(a1,1-q)=-2,而不是首项和公比
求S4n
由已知应用方程和整体思想求出首项和公比,从而确定S4n或利用性质求出S4n
[解析] 方法一:第一步 利用等比数列前n项和的性质.
Sn,S2n-Sn,S3n-S2n,S4n-S3n成等比数列,
第二步 应用等比中项列出方程求解.
(S2n-Sn)2=Sn·(S3n-S2n),
即(S2n-2)2=2·(14-S2n),
解得S2n=6或S2n=-4(舍去),同理可得S4n=30.
方法二:第一步 设出首项和公比.
设等比数列{an}的首项为a1,公比q,由已知可得q≠1.
第二步 列出方程组求出整体qn和eq \f(a1,1-q).
∵Sn=2,S3n=14,
∴eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(\f(a11-qn,1-q)=2,,\f(a11-q3n,1-q)=14,))两式相比得q2n+qn-6=0,
解得qn=2或qn=-3(舍去),eq \f(a1,1-q)=-2.
第三步 代入等比数列前n项和公式求出S4n.
S4n=eq \f(a11-q4n,1-q)=-2×(1-24)=30.
[答案] 30
1.在等比数列的基本运算中,一般利用通项公式和前n项和公式建立方程组求解,但如果灵活运用等比数列的性质,可减少运算量.
2.在应用等比数列前n项和公式求解时,要注意整体思想的应用:当公比q≠1时,Sn=eq \f(a1,1-q)(1-qn),令eq \f(a1,1-q)=t,则Sn=t(1-qn).把eq \f(a1,1-q)与qn当成一个整体求解.
易错警示:等比数列{an}的前n项和为Sn,则Sn,S2n-Sn,S3n-S2n仍成等比数列,这个性质成立的前提条件是公比不为-1.
1.(1)已知等比数列{an}共有2n项,其和为-240,且奇数项的和比偶数项的和大80,则公比q= ________ .
(2)设等比数列{an}的前n项和为Sn,若eq \f(S6,S3)=eq \f(1,2),则eq \f(S9,S3)= ________ .
解析:(1)由题意,得eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(S奇+S偶=-240,S奇-S偶=80,))
解得eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(S奇=-80,,S偶=-160,))所以q=eq \f(S偶,S奇)=eq \f(-160,-80)=2.
(2)法一:设等比数列{an}的公比为q,因为eq \f(S6,S3)=eq \f(1,2),所以{an}的公比q≠1.由eq \f(a11-q6,1-q)÷eq \f(a11-q3,1-q)=eq \f(1,2),得q3=-eq \f(1,2),所以eq \f(S9,S3)=eq \f(1-q9,1-q3)=eq \f(3,4).
法二:设等比数列{an}的公比为q,因为eq \f(S6,S3)=eq \f(1,2),所以公比q≠-1,所以S3,S6-S3,S9-S6也成等比数列,即(S6-S3)2=S3·(S9-S6),将S6=eq \f(1,2)S3代入得eq \f(S9,S3)=eq \f(3,4).
答案:(1)2 (2)eq \f(3,4)
◆[命题角度3] 与等比数列有关的最值问题
[典例3] 已知数列{an}的首项a1=eq \f(3,5),且an+1=eq \f(3an,2an+1),eq \f(1,a1)+eq \f(1,a2)+…+eq \f(1,an)<2 024,则满足条件的最大整数n= __________ .
[解析] 因为an+1=eq \f(3an,2an+1),
所以eq \f(1,an+1)=eq \f(2an+1,3an)=eq \f(1,3an)+eq \f(2,3),
所以eq \f(1,an+1)-1=eq \f(1,3)
eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,an)-1)),
所以数列eq \b\lc\{\rc\}(\a\vs4\al\co1(\f(1,an)-1))是等比数列,首项为eq \f(1,\f(3,5))-1=eq \f(2,3),公比为eq \f(1,3),
所以eq \f(1,an)-1=eq \f(2,3)×eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,3)))n-1=2×eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,3)))n,
所以eq \f(1,an)=2×eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,3)))n+1,
所以Sn=eq \f(1,a1)+eq \f(1,a2)+…+eq \f(1,an)=2×eq \b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\co1(\f(1,3)+\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,3)))2+…+\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,3)))n))+n
=2×eq \f(\f(1,3)\b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\co1(1-\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,3)))n)),1-\f(1,3))+n=1-eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,3)))n+n,
易知当n∈N*时,Sn单调递增,又因为S2 023=1-eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,3)))2 023+2 023=2 024-eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,3)))2 023<2 024,
S2 024=1-eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,3)))2 024+2 024=2 025-eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,3)))2 024>2 024,所以满足eq \f(1,a1)+eq \f(1,a2)+…+eq \f(1,an)<2 024的n最大整数为2 023.
[答案] 2 023
与等比数列最值有关问题的解题思路
求解此类问题的常用思路是根据题目所给条件建立关于变量n的函数关系进行求解.有时也注意基本不等式的应用.
2.已知正项等比数列{an}中,a1a2a3=8,a5a7=64,数列{bn}满足bn=logeq \r(2)an,则使得不等式eq \f(1,b1b2)+eq \f(1,b2b3)+eq \f(1,b3b4)+…+eq \f(1,bnbn+1)≥eq \f(2 024,2 025)成立的n的最小值为( )
A.2 023
B.2 024
C.2 025
D.2 026
解析:B [由题可得aeq \o\al(3,2)=8,aeq \o\al(2,6)=64,所以a2=2,a6=8,设{an}的公比为q,q>0,则q4=eq \f(a6,a2)=4,得q=eq \r(2),a1=eq \r(2),所以an=(eq \r(2))n,
则bn=logeq \r(2)an=n,
所以eq \f(1,bnbn+1)=eq \f(1,nn+1)=eq \f(1,n)-eq \f(1,n+1),
所以eq \f(1,b1b2)+eq \f(1,b2b3)+eq \f(1,b3b4)+…+eq \f(1,bnbn+1)
=eq \f(1,1)-eq \f(1,2)+eq \f(1,2)-eq \f(1,3)+eq \f(1,3)-eq \f(1,4)+…+eq \f(1,n)-eq \f(1,n+1)
=1-eq \f(1,n+1),
由1-eq \f(1,n+1)≥eq \f(2 024,2 025),得n≥2 024.]
$$