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进阶点4 数列中的子数列和增减项问题
数列子数列问题(包括数列中的奇偶项、公共项数列等)与数列的增减项问题是近几年高考的重点和热点.一般方法是构造新数列,利用新数列的特征(等差、等比或其他特征)求解原数列.
题型一 数列的公共项问题
例1 记由数列{an}和{bn}的公共项组成的数列为{cn},已知an=3n-2,bn=2n,若{cn}为递增数列,且c5=bm=at,则m+t=_352_.
解析 由已知得c1=b2=a2=4,设cn=bm=at,即cn=2m=3t-2,则bm+1=2m+1=2(3t-2),由bm+1=3t′-2,得t′=,因为t′不是正整数,所以bm+1不是公共项.同理,由bm+2=2m+2=4(3t-2)=3t′-2,得t′=4t-2,故cn+1=bm+2=a4t-2.因为c1=b2=a2=4,所以c2=b4=a6,c3=b6=a22,c4=b8=a86,c5=b10=a342,故当n=5时,m=10,t=342,故m+t=352.
(1)解答数列中公共项问题的关键在于观察这些公共项的规律,判断其是否构成等差数列或等比数列.
(2)两个等差数列的公共项是等差数列,公差是两等差数列公差的最小公倍数;两个等比数列的公共项是等比数列,公比是两个等比数列公比的最小公倍数.
训练1 已知数列{an}的前n项和Sn=,{bn}为等比数列,公比为2,且b1,b2+1,b3为等差数列.
(1)求{an}与{bn}的通项公式;
(2)把数列{an}和{bn}的公共项由小到大排成的数列记为{cn},求数列{cn}的前n项和Tn.
解 (1)由Sn=,当n=1时,a1=S1=2,当n≥2时,an=Sn-Sn-1=3n-1,当n=1时,上式也成立,所以an=3n-1.依题意,b1+b3=2(b2+1),b1+b1·22=2(b1·2+1),解得b1=2,所以bn=2n.
(2)数列{an}和{bn}的公共项从小到大依次为21,23,25,27,…,21,23,25,27,…构成首项为2,公比为4的等比数列,所以cn=2×4n-1,则Tn=c1+c2+…+cn==(4n-1).
题型二 数列的奇偶项问题
例2 (2021·新课标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,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.
对于通项公式分奇、偶不同的数列{an}求Sn时,我们可以分别求出奇数项的和与偶数项的和,也可以把a2k-1+a2k看作一项,求出S2k,再求S2k-1=S2k-a2k.
训练2 已知数列{an}满足a1=3,an=an-1+2n-1(n≥2,n∈N*).
(1)求数列{an}的通项公式;
(2)令bn=an-1+(-1)nlog2(an-1),求数列{bn}的前n项和Tn.
解 (1)因为an-an-1=2n-1(n≥2),所以当n≥2时,an=a1+(a2-a1)+(a3-a2)+…+(an-1-an-2)+(an-an-1)=3+2+22+…+2n-2+2n-1=2+=2n+1,检验知当n=1时上式也成立,故an=2n+1(n∈N*).
(2)由题意知,bn=2n+(-1)nn.当n为偶数时,Tn=2+22+…+2n+(-1)+2+(-3)+4+…+(-1)nn=+=2n+1-2+;当n为奇数时,Tn=Tn-1+2n+(-1)nn=2n-2++2n-n=2n+1-2-且n≥3,当n=1时,T1=b1=2-1=1,满足Tn=2n+1-2-.综上,Tn=
题型三 数列的增减项问题
例3 已知等比数列{an}的前n项和为Sn,且an+1=2Sn+2(n∈N*).
(1)求数列{an}的通项公式;
(2)在an与an+1之间插入n个数,使这(n+2)个数组成一个公差为dn的等差数列,在数列{dn}中是否存在3项dm,dk,dp(其中m,k,p成等差数列,且m≠k≠p)成等比数列?若存在,求出这样的3项;若不存在,请说明理由.
解 (1)设等比数列{an}的公比为q,由题意知当n=1时,a1q=2a1+2 ①,当n=2时,a1q2=2(a1+a1q)+2 ②,由①②解得a1=2,q=3,所以数列{an}的通项公式为an=2×3n-1.
(2)不存在.理由如下:由(1)知an=2×3n-1,则an+1=2×3n,所以an+1=an+(n+2-1)dn,所以dn==.假设数列{dn}中存在3项dm,dk,dp(其中m,k,p成等差数列,且m≠k≠p)成等比数列,则d=dm·dp,所以2=·,即2=.又因为m,k,p成等差数列,所以2k=m+p,所以(k+1)2=(m+1)(p+1),化简得k2+2k=mp+m+p,所以k2=mp,又2k=m+p,所以k=m=p,这与已知矛盾.所以在数列{dn}中不存在3项dm,dk,dp(其中m,k,p成等差数列,且m≠k≠p)成等比数列.
解答数列中的增减项问题时,先观察增加或减少以后的数列是等差数列,等比数列,还是局部具有等差或等比特征的数列,然后按照各自的性质进行求解.
训练3 已知数列{bn}为等比数列,正项数列{an}满足4an=a-a-4,且a1=2,b1=1,a4=b4.
(1)求{an}和{bn}的通项公式;
(2)若从{an}中去掉与数列{bn}相同的项后余下的项按原来的顺序组成数列{cn},设T100=c1+c2+c3+…+c100,求T100.
解 (1)因为4an=a-a-4,所以a=(an+2)2,又an>0,所以an+1=an+2,即an+1-an=2,又a1=2,所以数列{an}是首项为2,公差为2的等差数列,所以an=2+(n-1)·2=2n.设{bn}的公比为q,因为b4=a4=8,b1=1,所以q3=8,解得q=2,所以bn=2n-1.综上,数列{an}和{bn}的通项公式分别为an=2n,bn=2n-1.
(2)由(1)知b1=1,b2=2=a1,b3=4=a2,b4=8=a4,b5=16=a8,b6=32=a16,b7=64=a32,b8=128=a64,b9=256=a128,所以T100=c1+c2+c3+…+c100=(a1+a2+a3+…+a107)-(b2+b3+…+b8)=-=11 302.
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