内容正文:
主题二 函 数
第五章 数 列
第1节 数列的概念及其函数特性
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主题二 第五章 数 列
金榜题名 创新高考总复习 数学(BS新教材)
夯实 必备知识
01
跃升 关键能力
02
课时冲关
03
主题二 第五章 数 列
高考总复习 数学(BS新教材)
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主题二 第五章 数 列
金榜题名 创新高考总复习 数学(BS新教材)
★[课程标准]
1.了解数列的概念和几种简单的表示方法(列表、图象、通项公式).
2.了解数列是自变量为正整数的一类特殊函数.
1.数列的概念
(1)数列的定义:按 一定次序 排列的一列数叫作数列,数列中的每一个数叫作这个数列的项.
(2)数列与函数的关系:数列可以看作是定义域为正整数集N+(或其子集)的函数,当自变量按照从小到大的顺序依次取值时所对应的一列函数值.
(3)数列有三种表示法,它们分别是 列表法 、 图象法 和
通项公式法 .
2.数列的分类
分类原则
名称
含义
举例
按项数
个数
有穷数列
项数有限的数列
1,2,3,4,…,n
无穷数列
项数无限的数列
1,4,9,…,n2,…
3.数列的通项公式
如果数列{an}的第n项an与n之间的函数关系可以用一个式子表示成 an=f(n) ,那么这个式子就叫作这个数列的通项公式,数列的通项公式就是相应函数的解析式.数列可以看作是定义域为正整数集N+(或其子集)的函数.
4.数列的单调性定义
(1)一般地,一个数列{an},如果从第2项起,每一项都大于它的前一项,即an+1>an,那么这个数列叫作递增数列.
(2)如果从第2项起,每一项都小于它的前一项,即an+1<an,那么这个数列叫作递减数列.
(3)如果数列{an}的各项都相等,那么这个数列叫作常数列.
1.已知数列{an}的前n项和Sn,
则an=eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(S1n=1,,Sn-Sn-1n≥2.))
2.典型的递推数列及处理方法
递推式
方法
示例
an+1=an+f(n)
累加法
a1=1,an+1=an+2n
an+1=anf(n)
累乘法
a1=1,an+1=2nan
an+1=pan+q(p≠0,1,q≠0)
化为等比数列
a1=1,an+1=2an+1
an+1=pan+q·pn+1(p≠0,1,q≠0)
化为等差数列
a1=1,an+1=3an+3n+1
其中(1)an+1=pan+q(p≠0,1,q≠0)的求解方法是:设an+1+λ=p(an+λ),即an+1=pan+pλ-λ,与an+1=pan+q比较即可知只要λ=eq \f(q,p-1).
(2)an+1=pan+q·pn+1(p≠0,1,q≠0)的求解方法是两端同时除以pn+1,即得eq \f(an+1,pn+1)-eq \f(an,pn)=q,数列eq \b\lc\{\rc\}(\a\vs4\al\co1(\f(an,pn)))为等差数列.
◆[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)1,1,1,1,…不能构成一个数列.( )
(2)任何一个数列不是递增数列,就是递减数列.( )
(3)所有数列的第n项都能使用公式表达.( )
(4)根据数列的前几项归纳出的数列的通项公式可能不止一个.( )
(5)如果数列{an}的前n项和为Sn,则对∀n∈N*,都有an+1=Sn+1-Sn.( )
答案:(1)× (2)× (3)× (4)√ (5)√
◆[小题查验]
1.在数列{an}中,a1=1,an=1+eq \f(-1n,an-1)(n≥2),则a5=( )
A.eq \f(3,2)
B.eq \f(2,3)
C.eq \f(5,4)
D.eq \f(6,5)
解析:B [a2=1+eq \f(-12,a1)=2,a3=1+eq \f(-13,a2)=eq \f(1,2),a4=1+eq \f(-14,a3)=3,a5=1+eq \f(-15,a4)=eq \f(2,3).]
2.已知数列的通项公式为an=n2-8n+15,则3( )
A.不是数列{an}中的项
B.只是数列{an}中的第2项
C.只是数列{an}中的第6项
D.是数列{an}中的第2项或第6项
解析:D [令an=n2-8n+15=3,
整理可得n2-8n+12=0,
解得n=2或n=6.
故3是数列{an}中的第2项或第6项.]
3.数列eq \f(\r(5),3),eq \f(\r(10),8),eq \f(\r(17),a+b),eq \f(\r(a-b),24),…中,有序实数对(a,b)可以是( )
A.(21,-5)
B.(16,-1)
C.eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(-\f(41,2),\f(11,2)))
D.eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(41,2),-\f(11,2)))
解析:D [由数列中的项可观察规律,5-3=10-8=17-(a+b)=(a-b)-24=2,
eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(a+b=15,,a-b=26,))解得a=eq \f(41,2),b=-eq \f(11,2).]
4.(BSD选择性必修第二册P7习题1-1A组T1(1)改编)根据下面的图形及相应的点数,可得点数构成的数列的一个通项公式an=________.
解析:由a1=1=5×1-4,a2=6=5×2-4,a3=11=5×3-4,…,归纳得an=5n-4.
答案:5n-4
5.(忽略数列与函数的区别致错)已知数列an=n2-tn+2是递增数列,则实数t的取值范围是 ________.
解析:依题意,an+1>an,即(n+1)2-t(n+1)+2>n2-tn+2,得t<2n+1,又2n+1≥3,∴t<3.
答案:(-∞,3)
由an与Sn的关系求通项公式an
1.(2025·昆明模拟)已知数列 eq \b\lc\{\rc\}(\a\vs4\al\co1(an)) 的前n项和为Sn满足Sn=2n(n∈N*),则 eq \b\lc\{\rc\}(\a\vs4\al\co1(an)) 的通项公式为________.
解析: 数列 eq \b\lc\{\rc\}(\a\vs4\al\co1(an)) 的前n项和Sn=2n,当n≥2时,an=Sn-Sn-1=2n-2n-1=2n-1,
而a1=S1=2不满足上式,
所以 eq \b\lc\{\rc\}(\a\vs4\al\co1(an)) 的通项公式为an= eq \b\lc\{(\a\vs4\al\co1(2,n=1,,2n-1,n≥2.))
答案: an= eq \b\lc\{(\a\vs4\al\co1(2,n=1,2n-1,n≥2))
2.已知数列{an}满足a1+2a2+3a3+…+nan=2n,则an=________.
解析:当n=1时,由已知,可得a1=21=2,
∵a1+2a2+3a3+…+nan=2n,①
故a1+2a2+3a3+…+(n-1)an-1=2n-1(n≥2),②
由①-②,得nan=2n-2n-1=2n-1,
∴an=eq \f(2n-1,n)(n≥2).
显然当n=1时不满足上式,∴an=eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(2,n=1,,\f(2n-1,n),n≥2.))
答案:eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(2,n=1,\f(2n-1,n),n≥2))
3.已知正项数列{an}的前n项和为Sn,且满足2Sn=aeq \o\al(2,n)+an(n∈N+).求{an}的通项公式.
解:由题意,当n≥2时,2Sn-1=aeq \o\al(2,n-1)+an-1,
则2an=aeq \o\al(2,n)-aeq \o\al(2,n-1)+an-an-1,可得an+an-1
=(an+an-1)(an-an-1),
由数列是正项数列可知,an-an-1=1,
又2S1=aeq \o\al(2,1)+a1,
得a1=1,所以数列{an}是首项为1,公差为1的等差数列,
所以an=1+(n-1)=n.
已知Sn求an时应注意的问题
(1)应重视分类讨论思想的应用,分n=1和n≥2两种情况讨论;特别注意an=Sn-Sn-1中需n≥2.
(2)由Sn-Sn-1=an推得an,当n=1时,a1也适合“an式”,则需统一“合写”.
(3)由Sn-Sn-1=an,推得an,当n=1时,若a1不适合“an式”,则数列的通项公式应分段表示(“分写”),即an=eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(S1n=1,,Sn-Sn-1n≥2.))
提醒:在利用数列的前n项和求通项公式时,往往容易忽略先求出a1,而是直接把数列的通项公式写成an=Sn-Sn-1的形式,但它只适用于n≥2的情形.
由数列的递推关系求数列的通项公式
►[命题点1] 形如an+1=an+f(n),求an
1.(1)在数列{an}中,a1=2,an+1=an+eq \f(1,nn+1),求数列{an}的通项公式;
(2)若数列{an}满足:a1=1,an+1=an+2n,求数列{an}的通项公式.
解:(1)由题意,得an+1-an=eq \f(1,nn+1)=eq \f(1,n)-eq \f(1,n+1),
an=(an-an-1)+(an-1-an-2)+…+(a2-a1)+a1=eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,n-1)-\f(1,n)))+eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,n-2)-\f(1,n-1)))+…+eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2)-\f(1,3)))+eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(1-\f(1,2)))+2=3-eq \f(1,n).
(2)由题意知an+1-an=2n,
an=(an-an-1)+(an-1-an-2)+…+(a2-a1)+a1
=2n-1+2n-2+…+2+1=eq \f(1-2n,1-2)=2n-1.
►[命题点2] 形如an+1=anf(n),求an
2.(2025·重庆期末)已知a1=2,an=n(an+1-an),则数列 eq \b\lc\{\rc\}(\a\vs4\al\co1(an)) 的通项公式an=( )
A.n B.n+1 C.2n D. eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(n+1,n))) n
解: C [由an=n eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(an+1-an)) ,得 eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(n+1)) an=nan+1,即 eq \f(an+1,an) = eq \f(n+1,n) ,
则 eq \f(an,an-1) = eq \f(n,n-1) , eq \f(an-1,an-2) = eq \f(n-1,n-2) , eq \f(an-2,an-3) = eq \f(n-2,n-3) ,…, eq \f(a2,a1) = eq \f(2,1) ,
由累乘法可得 eq \f(an,a1) =n,因为a1=2,所以an=2n.故选C.]
►[命题点3] 形如an+1=Aan+B(A≠0且A≠1),求an
3.(1)已知数列{an}满足a1=1,an+1=3an+2,求数列{an}的通项公式.
解:∵an+1=3an+2,∴an+1+1=3(an+1),
∴eq \f(an+1+1,an+1)=3,
∴数列{an+1}为等比数列,公比q=3,
又a1+1=2,∴an+1=2·3n-1,
∴an=2·3n-1-1.
(2)(2025·广州调考)设数列{an}的前n项和为Sn,已知a1=1,Sn+1-2Sn=1,n∈N+,则数列{an}的通项公式为________.
解析:因为Sn+1-2Sn=1,
所以Sn+1=2Sn+1.
因此Sn+1+1=2(Sn+1),因为a1=S1=1,S1+1=2,所以{Sn+1}是首项为2,公比为2的等比数列.
所以Sn+1=2n,Sn=2n-1.
当n≥2时,an=Sn-Sn-1=2n-1,a1=1也满足此式,
所以an=2n-1,n∈N+.
答案:an=2n-1,n∈N+
►[命题点4] 形如an+1=eq \f(Aan,Ban+C)(A,B,C为常数),求an
4.已知数列{an}满足a1=1,an+1=eq \f(an,4an+1)(n∈N+),则满足an>eq \f(1,37)的n的最大取值为( )
A.7
B.8
C.9
D.10
解析:C [因为an+1=eq \f(an,4an+1),所以eq \f(1,an+1)=4+eq \f(1,an),所以eq \f(1,an+1)-eq \f(1,an)=4,又eq \f(1,a1)=1,
数列eq \b\lc\{\rc\}(\a\vs4\al\co1(\f(1,an)))是以1为首项,4为公差的等差数列.
所以eq \f(1,an)=1+4(n-1)=4n-3,所以an=eq \f(1,4n-3),由an>eq \f(1,37),即eq \f(1,4n-3)>eq \f(1,37),即0<4n-3<37,解得eq \f(3,4)<n<10,因为n为正整数,所以n的最大值为9.]
由数列的递推公式求通项公式时,若递推关系为an+1=an+f(n)或an+1=f(n)·an,则可以分别通过累加、累乘法求得通项公式,另外,通过迭代法也可以求得上面两类数列的通项公式,(如角度1).注意:有的问题也可利用构造法,即通过对递推式的等价变形,(如角度3、4)转化为特殊数列求通项.
1.(2025·河南模拟)在数列{an}中,an+1-an=3n-22,a1=-2,则a30=( )
A.659
B.661
C.663
D.665
解析:D [因为an+1-an=3n-22,所以a2-a1=-19,a3-a2=-16,…,a30-a29=65,
所以a30-a1=eq \f(-19+65×29,2)=667,故a30=a1+667=665.]
2.(2025·全国模拟)数列{an}满足:a1=eq \f(2,3),(2n+2-1)an+1=(2n+1-2)an(n∈N+),则{an}的通项公式为________.
解析:由(2n+2-1)an+1=(2n+1-2)an,得eq \f(an+1,an)=eq \f(2n+1-2,2n+2-1)=2·eq \f(2n-1,2n+2-1),
则eq \f(an,an-1)·eq \f(an-1,an-2)·eq \f(an-2,an-3)…eq \f(a2,a1)=2·eq \f(2n-1-1,2n+1-1)·2·eq \f(2n-2-1,2n-1)·2·eq \f(2n-3-1,2n-1-1)…2·eq \f(21-1,23-1)
=2n-1·eq \f(3,2n+1-12n-1),
即eq \f(an,a1)=eq \f(3·2n-1,2n-12n+1-1),又a1=eq \f(2,3),
所以an=eq \f(2n,2n-12n+1-1).
答案:an=eq \f(2n,2n-12n+1-1)
数列的函数特性
►[命题点1] 数列的单调性
1.已知数列{an}的通项公式为an=eq \f(3n+k,2n),若数列{an}为递减数列,则实数k的取值范围为( )
A.(3,+∞)
B.(2,+∞)
C.(1,+∞)
D.(0,+∞)
解析:D [因为an+1-an=eq \f(3n+3+k,2n+1)-eq \f(3n+k,2n)=eq \f(3-3n-k,2n+1),由数列{an}为递减数列知,对任意n∈N+,an+1-an=eq \f(3-3n-k,2n+1)<0,所以k>3-3n对任意n∈N+恒成立,所以k∈(0,+∞).]
2.(2025·河南温县模拟)已知函数f(x)=eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(3-ax-3,x≤7,,ax-6,x>7,))若数列{an}满足an=f(n)(n∈N+)且{an}是递增数列,则实数a的取值范围是( )
A.eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(9,4),3))
B.eq \b\lc\[\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(9,4),3))
C.(2,3)
D.[2,3)
解析:C [因为数列{an}是单调递增数列,则函数f(x)=ax-6在(7,+∞)上为增函数,可得a>1,
函数f(x)=(3-a)x-3在[1,7)上为增函数,可得3-a>0,可得a<3,
且有a7<a8,即7(3-a)-3=18-7a<a8-6,即a2+7a-18>0,解得a<-9或a>2.
综上所述,2<a<3.]
解决数列的单调性问题可用以下三种方法
(1)作差比较法,根据an+1-an的符号判断数列{an}是递增数列、递减数列还是常数列;
(2)作商比较法,根据eq \f(an+1,an)(an>0或an<0)与1的大小关系进行判断;
(3)结合相应函数的图象直观判断.
►[命题点2] 数列的周期性
3.(1)已知数列 eq \b\lc\{\rc\}(\a\vs4\al\co1(an)) 满足a1=-1,an+1(an-1)+1=0(n∈N*),则数列 eq \b\lc\{\rc\}(\a\vs4\al\co1(an)) 的前9项和为( )
A.6 B. eq \f(9,2)
C.3 D. eq \f(3,2)
解析: B [由an+1(an-1)+1=0(n∈N*)可推得,an+1= eq \f(1,1-an) ,因为a1=-1,
所以a2= eq \f(1,1-a1) = eq \f(1,2) ,a3= eq \f(1,1-a2) =2,a4= eq \f(1,1-a3) =-1,…,
故数列 eq \b\lc\{\rc\}(\a\vs4\al\co1(an)) 是周期为3的数列,
从而数列 eq \b\lc\{\rc\}(\a\vs4\al\co1(an)) 的前9项和为S9=3(a1+a2+a3)=3 eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(-1+\f(1,2)+2)) = eq \f(9,2) .故选B.]
(2)(2025·重庆模拟)已知数列{an}的前n项和为Sn,an+1+(-1)n+1an=sin eq \f(nπ,4)(n∈N+),则S2 024=( )
A.-eq \f(\r(2),2)
B.0
C.eq \f(\r(2),2)
D.eq \r(2)
解析:B [当n为奇数时有an+1+an=sin eq \f(nπ,4),函数y=sin eq \f(nπ,4)(n∈N+)的周期为8,
故有an+9+an+8=an+1+an,a2+a1=sin eq \f(π,4)=eq \f(\r(2),2),a4+a3=sin eq \f(3π,4)=eq \f(\r(2),2),a6+a5=sin eq \f(5π,4)=-eq \f(\r(2),2),a8+a7=-eq \f(\r(2),2),…,按此规律循环重复下去,S8=0,
故有S2 024=253×0=0.]
1.类比周期函数的概念,我们可以定义:对于数列{an},如果存在一个常数T(T∈N+),使得对于任意的正整数n>n0,恒有an+T=an成立,那么称数列{an}是从第n0项起的周期为T的周期数列.若n0=1,则称数列{an}为纯周期数列;若n0≥2,则称数列{an}为混周期数列.T的最小值称为最小正周期,简称周期.
2.解决数列周期性问题时,可先根据已知条件求出数列的前几项,当出现各项重复性地出现后,便可由此确定该数列的最小正周期T,再根据公式an+T=an将所求项转化为下标较小的项,从而求得该项的值.
►[命题点3] 数列的最值
[典例] (1)(2025·湖北模拟)记数列{an}的前n项和为Sn,若an=eq \f(2n,3n-49),则使得Sn取得最小值时n的值为________.
[解析] 由an=eq \f(2n,3n-49),a1<0,故当n≤16时,3n-49<0,an<0,当n≥17时,3n-49>0,且an>0,
所以当n=16时,Sn最小.
[答案] 16
(2)已知数列{an}的通项公式为an=eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(3,4)))n-1eq \b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\co1(\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(3,4)))n-1-1)),则数列{an}中的最小项为( )
A.a1
B.a2
C.a3
D.a4
[解析] 因为an=eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(3,4)))n-1eq \b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\co1(\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(3,4)))n-1-1))≤0,(n∈N+),
所以-an=eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(3,4)))n-1eq \b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\co1(1-\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(3,4)))n-1))≥0,
所以-an≤eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(3,4)))n-1+\b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\co1(1-\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(3,4)))n-1)),2)))2=eq \f(1,4),
当且仅当eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(3,4)))n-1=1-eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(3,4)))n-1⇒n=+1时取“=”.
又因为3<+1<4.
当n=3时,a3=eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(3,4)))2eq \b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\co1(\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(3,4)))2-1))=-eq \f(63,256).
当n=4时,a4=eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(3,4)))3eq \b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\co1(\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(3,4)))3-1))=-eq \f(999,4 096).
所以数列{an}中的最小项为a3.
[答案] C
求数列的最大项、最小项的常见方法
1.利用“两边夹”思想
设an为数列{an}中的最大项,
则有eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(an≥an+1,an≥an-1)) (n≥2).
解出适合上述不等式组的n值,从而确定数列的最大项.
类似地,设an为数列{an}中的最小项,则有eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(an≤an+1,an≤an-1))(n≥2).
解出适合上述不等式组的n值,便能确定数列的最小项.
2.利用函数思想
(1)数列是特殊函数,具有函数的一些特性,求数列项的最值完全可以依据研究函数最值的方法解决,但特别要注意数列的项数n只能是正整数.
(2)根据条件构造相应的函数,通过配方、作差、作商等方法来确定函数的单调性,进而确定数列的单调性,再求出数列的最大项或最小项.
(3)给出一个数列{an},若能够判断数列{an}为递增数列,则该数列具有以下性质:
a1<a2<…<an<…,故(an)min=a1.
反之,若该数列为递减数列,则有a1>a2>…>an>…,故(an)max=a1.
$$