内容正文:
5.1.1 数列的概念
课标要求
通过日常生活和数学中的实例,了解数列的概念和表示方法(列表、图象、通项公式),了解数列是一种特殊函数(数学运算、数学抽象).
传说古希腊毕达哥拉斯学派的数学家在沙滩上研究数学问题.他们研究数的概念时,喜欢把数描绘成沙滩上的小石子,小石子能够摆成不同的几何图形,于是就产生一系列的形数.毕达哥拉斯发现,当小石子的数目是1,3,6,10等数时,小石子都能摆成正三角形,如图①.他把这些数叫作三角形数;当小石子的数目是1,4,9,16等数时,小石子都能摆成正方形,如图②.他把这些数叫作正方形数,等等.每一系列有形状的数按顺序排列出来就称为数列.
【问题】 (1)数列的有关概念是什么?
(2)数列可分为哪几类?
知识点一 数列的概念及分类
1.数列的概念
2.数列的分类
类别
含义
有穷数列
项数有限 的数列
无穷数列
项数无限 的数列
【想一想】
1.2,3,4,5和5,4,3,2是相同的数列吗?
提示:不是.
2.一列由小到大排序的偶数是否可以构成一个数列,这个数列是有穷数列,还是无穷数列?
提示:可以构成数列,且是无穷数列.
1.下列说法正确的是( )
A.数列4,7,3,4的首项是4
B.数列{an}中,若a1=3,则从第2项起,各项均不等于3
C.数列3,6,8可以表示为{3,6,8}
D.a,-3,-1,1,b,5,7,9,11一定能构成数列
解析:A 对于A,数列4,7,3,4的第1项就是首项,即4,故A正确;对于B,同一个数在一个数列中可以重复出现,故B错误;对于C,数列和数的顺序有关,集合中元素具有无序性,故C错误;对于D,当a,b都代表数(数列的各项都是数)时,能构成数列,当a,b中至少有一个不代表数时,不能构成数列,因为数列是按照一定次序排列的一列数,故D错误.故选A.
2.数列,2,,3,…,则该数列的第6项是 2 .
解析:数列中每一项的被开方数均比前一项大5,故第6项为=2.
知识点二 数列的通项公式
1.数列的通项及表示
因为数列从首项起,每一项都与 正整数 对应,所以数列的一般形式可以写成a1,a2,a3,…,an,…,其中an表示数列的第 n 项(也称n为an的序号,其中n为正整数,即n∈N+),称为数列的通项,一般将整个数列简记为{an}.
2.数列的通项公式
如果数列的第n项an与 n 之间的关系可以用an=f(n)来表示,其中f(n)是关于n的不含其他未知数的表达式,则称上述关系式为这个数列的一个通项公式.
【想一想】
1.是否所有的数列都有通项公式?
提示:并非所有的数列都能写出它的通项公式.例如,π的不同近似值,依据精确的程度可形成一个数列3,3.1,3.14,3.141,…,它没有通项公式.
2.如果数列的每一项均为常数k,则数列的通项公式该如何表示?
提示:an=k.
3.若数列{an}有通项公式,那么它的通项公式唯一吗?
提示:一般不唯一.如数列1,-1,1,-1,…,的通项公式为an=或an=cos(n-1)π.
1.数列{an}的通项公式为an=则a2·a3= 20 .
解析:由an=得a2=2,a3=10,
所以a2·a3=20.
2.在有一定规律的数列0,3,8,15,24,x,48,63,…中,x的值是 35 .
解析:由题意可发现:0=12-1,3=22-1,8=32-1,15=42-1,…,63=82-1,总结规律,该数列第n项为n2-1,所以x=62-1=35.
知识点三 数列与函数
1.数列与函数的关系
数列{an}可以看成定义域为正整数集的子集的函数,数列中的数就是自变量从小到大依次取正整数值时对应的函数值,而数列的通项公式也就是相应函数的解析式.
2.数列的分类
类别
定义
递增数列
从第2项起,每一项都大于它的前一项的数列
递减数列
从第2项起,每一项都小于它的前一项的数列
常数列
各项都相等的数列
【想一想】
1.数列的表示方法有哪些?
提示:数列的表示方法有解析法、列表法和图象法.
2.作出一个数列的图象,其图象有什么特点?
提示:其图象是一些离散的点.
1.下列数列中,既是无穷数列又是递增数列的是( )
A.1,,,,…
B.sin ,sin ,sin ,sin ,…
C.-1,-,-,-,…
D.1,2,3,4,…,30
解析:C 数列1,,,,…是无穷数列,但它不是递增数列,而是递减数列;数列sin ,sin ,sin ,sin ,…是无穷数列,但它既不是递增数列,也不是递减数列;数列-1,-,-,-,…是无穷数列,也是递增数列;数列1,2,3,4,…,30是递增数列,但不是无穷数列.
2.给出以下数列:
①1,-1,1,-1,…;
②2,4,6,8,…,1 000;
③8,8,8,8,…;
④0.8,0.82,0.83,0.84,…,0.810.
其中,有穷数列为 ②④ ;无穷数列为 ①③ ;递增数列为 ② ;递减数列为 ④ ;常数列为 ③ .(填序号)
题型一|数列的概念及分类
【例1】 已知下列数列:
①2 021,2 022,2 023,2 024,2 025,2026;
②1,,,…,,…;
③1,-,,…,,…;
④1,0,-1,…,sin,…;
⑤2,4,8,16,32,…;
⑥-1,-1,-1,-1.
其中,有穷数列是 ①⑥ ,无穷数列是 ②③④⑤ ,递增数列是 ①⑤ ,递减数列是 ② ,常数列是 ⑥ ,摆动数列是 ③④ .(填序号)
解析:①为有穷数列且为递增数列;②为无穷、递减数列;③为无穷、摆动数列;④是摆动数列,是无穷数列,也是周期为4的周期数列;⑤为递增数列,也是无穷数列;⑥为有穷数列,也是常数列.
通性通法
判断数列是哪一种类型的数列时要紧扣概念及数列的特点.对于递增、递减、摆动和常数列要从项的变化趋势来分析,而有穷和无穷数列则看项的个数是有限还是无限.
【跟踪训练】
〔多选〕下面四个数列中,既是无穷数列又是递增数列的是( )
A.1,,,,…,,…
B.-1,-,-,-,…,-,…
C.sin,sin,sin,…,sin,…
D.1,,,…,,…
解析:BD 对于A,1,,,,…,,…为递减数列,故A错误;对于B,-1,-,-,-,…,-,…为递增数列,且是无穷数列,故B正确;对于C,sin,sin,sin,…,sin,…中,sin>sin,故不是递增数列,故C错误;对于D,1,,,…,,…既是无穷数列又是递增数列,故D正确.故选B、D.
题型二|数列的通项公式
角度1 由数列的前几项求通项公式
【例2】 (1)数列,,,,…的一个通项公式是 an= ;
解析:数列可写为,,,,…,
分子满足3=1+2,4=2+2,5=3+2,6=4+2,…,
分母满足5=3×1+2,8=3×2+2,11=3×3+2,14=3×4+2,…,因此它的一个通项公式为an=.
(2)根据以下数列的前4项写出数列的一个通项公式:
①,,,,…;
②-3,7,-15,31,…;
③2,6,2,6,….
解:①均是分式且分子均为1,分母均是两因数的积,第一个因数是项数加上1,第二个因数比第一个因数大2,
因此数列的一个通项公式为an=.
②正负相间,且负号在奇数项,故可用(-1)n来表示符号,各项的绝对值恰是2的整数次幂减1,
因此数列的一个通项公式为an=(-1)n(2n+1-1).
③为摆动数列,一般求两数的平均数=4,
而2=4-2,6=4+2,中间符号用(-1)n来表示.
因此它的一个通项公式为an=4+(-1)n·2或an=
通性通法
由数列的前几项求通项公式的解题策略
(1)分式形式的数列,分子、分母分别求通项,较复杂的还要考虑分子、分母的关系;
(2)若n和n+1项正负交错,那么符号用(-1)n或(-1)n+1或(-1)n-1来调控;
(3)熟悉一些常见数列的通项公式;
(4)对于复杂数列的通项公式,其项与序号之间的关系不容易发现,要将数列各项的结构形式加以变形,将数列的各项分解成若干个常见数列对应项的“和”“差”“积”“商”后再进行归纳.
【跟踪训练】
1.数列1,,,,…的一个通项公式是an=( )
A.1- B.
C. D.
解析:C 依题意,1=,=,=,=,…,所以an=.故选C.
2.数列0.3,0.33,0.333,0.333 3,…的通项公式为( )
A.an=(10n-1) B.an=(10n-1)
C.an= D.an=(10n-1)
解析:C 因为数列0.9,0.99,0.999,0.999 9,…的通项公式为1-,而数列0.3,0.33,0.333,0.333 3,…的每一项都是上面数列对应项的.故通项公式为an=.
角度2 通项公式的应用
【例3】 已知数列{an}的通项公式为an=3n2-28n.
(1)写出数列的第4项和第6项;
解:(1)a4=3×16-28×4=-64,
a6=3×36-28×6=-60.
(2)-49是否为该数列的一项?如果是,是哪一项?68是否为该数列的一项呢?
解:(2)令3n2-28n=-49,解得n=7或n=(舍去),
所以n=7,即-49是该数列的第7项.
令3n2-28n=68,解得n=或n=-2.
因为∉N+,-2∉N+,
所以68不是该数列的项.
【母题探究】
1.(变设问)若本例条件不变,试探究数列{an}中有多少个负数项?
解:an=n(3n-28),令an<0,又n∈N+,解得n=1,2,3,4,5,6,7,8,9,即数列{an}中有9个负数项.
2.(变条件,变设问)若本例中的条件“an=3n2-28n”变为“an=+2n”,问253和153是不是这个数列中的项?如果是,是第几项?
解:假设253是这个数列中的项,则253=+2n,解得n=121.所以253是这个数列的第121项.
假设153是这个数列中的项,则153=+2n,解得n=72,这与n是正整数矛盾,所以153不是这个数列中的项.
通性通法
求数列的项或判断某数是否为数列的项的方法
(1)如果已知数列的通项公式,只要将相应序号代入通项公式,就可以写出数列中的指定项;
(2)判断某数是否为数列的项,只需将此数代入数列的通项公式中,求出n的值.若求出的n为正整数,则该数是数列的项,否则该数不是数列的项.
【跟踪训练】
已知两个数列的前5项如下:
{an}:25,37,49,61,73,…;
{bn}:1,4,9,16,25,….
(1)根据两个数列前5项的特征,分别写出它们的一个通项公式;
解:(1)an=12n+13,bn=n2.
(2)根据(1)的两个通项公式,判断这两个数列是否有序号与项都相同的项.如果没有,请说明理由;如果有,指明它们是第几项.
解:(2)令an=bn,得12n+13=n2,可解得n1=13,n2=-1(舍去),
所以这两个数列存在序号与项都相同的项,它是第13项.
题型三|数列单调性的判断及应用
【例4】 (1)已知函数f(x) =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( C )
A.(1,3) B.(1,2]
C.(2,3) D.
解析: 由题意知an=
因为数列{an}是递增数列,所以
当n≤10时,3-a>0,即a<3;
当n>10时,a>1.
且a10<a11,所以(3-a)×10-6<a11-9,
即a2+10a-24>0,
即(a+12)(a-2)>0,所以a<-12或a>2.
综上可得a的取值范围为(2,3).
(2)已知数列{an}的通项公式an=(n∈N+),
①求证:0<an<1;
②判断{an}是递增数列还是递减数列,并说明理由.
解:①证明:因为n∈N+,所以an=<<=1,所以0<an<1.
②因为an+1-an=-
==.
又因为n∈N+,且n≥1,
所以n+≥,≥,-≤-.
故-+≤-+=-1<0,
所以an+1-an<0,即an+1<an,故该数列为递减数列.
通性通法
1.判断数列{an}单调性的常用方法
(1)图象法:利用数列的图象可直观地反映数列各项的变化趋势,从而判断数列的单调性;
(2)作差法:将an+1-an与0进行比较;
(3)作商法:将与1进行比较(在作商时,要注意an<0还是an>0).
2.利用数列的单调性确定变量的取值范围
数列{an}递增⇔an+1>an(n∈N+);
数列{an}递减⇔an+1<an(n∈N+).
进而转化为不等式成立(恒成立),通过分离变量转化为代数式的最值来解决;或由数列的函数特征,通过构建变量的不等关系,解不等式(组)来确定变量的取值范围.
【跟踪训练】
1.已知数列是递减数列,则λ的取值范围为( )
A.(0,+∞) B.(1,+∞)
C.[1,+∞) D.[0,+∞)
解析:A 数列是递减数列,故>,即2n+2λ>n+1+λ,λ>1-n,且n∈N+,故λ>0.故选A.
2.已知数列{an}满足an=n2+λn(n∈N+),且对任意n∈N+,an<an+1恒成立,则实数λ满足( )
A.λ>0 B.λ<0
C.λ≥-2 D.λ>-3
解析:D 因为对任意n∈N+,an<an+1恒成立,所以数列{an}是递增数列.由an=n2+λn知(n,an)(n∈N+)是函数f(x)=x2+λx图象上的点,而函数f(x)的图象的对称轴为直线x=-,事实上,数列{an}是递增数列,满足a1<a2<…<an即可.欲满足上述不等关系,需-<,解得λ>-3.
拓视野 数列单调性的判断及应用 能力提升
已知函数f(x)=,设数列{an}的通项公式为an=f(n),其中n∈N+.
(1)求证:0≤an<1;
(2)判断{an}是递增数列还是递减数列,并说明理由.
【问题探究】
函数的单调性在研究函数性质时有着重要的作用,而数列作为一种特殊的函数,也具有单调性,且单调性是数列的一个重要性质.数列的单调性在研究数列的最值、数列不等式以及在判断某一项是否为已知数列中的项等问题时,都有重要的作用.
如何利用数列单调性定义去判断数列的单调性?
提示:①作差法:即作差an+1-an后与0进行比较.
若an+1-an>0对于任意n(n∈N+)恒成立,则数列{an}是递增数列;
若an+1-an<0对于任意n(n∈N+)恒成立,则数列{an}是递减数列;
若an+1-an=0对于任意n(n∈N+)恒成立,则数列{an}是常数列.
②作商法:即作商(务必要确定an的符号)后与1进行比较.
对于任意n(n∈N+),若an>0,则当>1时,数列{an}是递增数列;当<1时,数列{an}是递减数列.
对于任意n(n∈N+),若an<0,则当<1时,数列{an}是递增数列;当>1时,数列{an}是递减数列.
对于任意n(n∈N+),若an≠0,则当=1时,数列{an}是常数列.
【迁移应用】
已知数列{an},其通项公式为an=3n2-n(n∈N+),判断数列{an}的单调性.
解:法一 an=3n2-n,an+1=3(n+1)2-(n+1),则an+1-an=3(n+1)2-(n+1)-(3n2-n)=6n+2>0,即an+1>an(n∈N+),故数列{an}是递增数列.
法二 an=3n2-n,an+1=3(n+1)2-(n+1),则==·>1.
又因为an>0,故an+1>an,即数列{an}是递增数列.
(注:这里要确定an的符号,否则无法判断an+1与an的大小)
法三 令y=3x2-x,则函数的图象是开口向上的拋物线,其对称轴为直线x=,<1,则函数y=3x2-x在上单调递增,故数列{an}是递增数列.
1.有下面四个结论:
①数列可以看作是一个定义在正整数集(或它的有限子集)上的函数;
②数列的项数一定是无限的;
③数列的通项公式的形式是唯一的;
④数列1,3,2,6,3,9,4,12,5,15,…不存在通项公式.
其中正确的是( )
A.① B.①②
C.③④ D.②④
解析:A 结合数列的定义与函数的概念可知,①正确;有穷数列的项数就是有限的,②错误;数列的通项公式的形式不一定唯一,③错误;数列1,3,2,6,3,9,4,12,5,15,…的一个通项公式为an=④错误.故选A.
2.已知数列{an}的通项公式为an=n2+1,则2 026是该数列的( )
A.第44项 B.第45项
C.第46项 D.第47项
解析:B 令an=n2+1=2 026,解得n=45,则2 026是该数列的第45项,故选B.
3.〔多选〕下列有关数列的说法正确的是( )
A.数列-2 026,0,6与数列6,0,-2 026是同一个数列
B.数列{an}的通项公式为an=n(n-1),则110是该数列的第11项
C.数列1,,,2,,…的第8项是2
D.数列3,5,9,17,33,…的一个通项公式为an=2n+1
解析:BCD 对于A,数列中的项与顺序有关,故数列-2 026,0,6与数列6,0,-2 026是两个不同的数列,故A错误;对于B,令an=n(n-1)=110,解得n=11或n=-10(舍去),故110是该数列的第11项,故B正确;对于C,数列1,,,2,,…的一个通项公式是,故第8项是=2,故C正确;对于D,3=21+1,5=22+1,9=23+1,…,总结规律,数列3,5,9,17,33,…的一个通项公式为an=2n+1,故D正确.
4.已知数列{an}满足-an-3=0,则数列{an}是( )
A.递增数列 B.递减数列
C.常数列 D.不能确定
解析:A 由条件得-an=3>0,可知>an,所以数列{an}是递增数列.
5.根据下面所给数列前几项的值,写出数列的一个通项公式:
(1)数列,,,,…的一个通项公式为an= ;
(2)数列0,1,0,1,0,1,0,1,…的一个通项公式是an= .
解析:(1)=,=,=,=,…,总结规律可得an=.
(2)数列的奇数项都是0,偶数项都是1,所以an=
1.数列2,-4,6,-8,…的通项公式可能是( )
A.an=(-1)n2n B.an=(-1)n2n
C.an=(-1)n-12n D.an=(-1)n+12n
解析:D 对于A,a1=(-1)1×2×1=-2,不符合题意,故A错误;对于B,a1=(-1)1×21=-2,不符合题意,故B错误;对于C,a3=(-1)2×23=8,不符合题意,故C错误;对于D,a1=(-1)2×2=2,a2=(-1)3×4=-4,a3=(-1)4×6=6,a4=(-1)5×8=-8,符合题意,故D正确.故选D.
2.数列{an}中,若an=,则a4=( )
A. B.
C.2 D.8
解析:B 因为数列{an}中,an=,所以a4==,故选B.
3.已知数列{an}的通项公式an=log(n+1)(n+2),则它的前30项之积是( )
A. B.5
C.6 D.
解析:B a1·a2·a3·…·a30=log23×log34×log45×…×log3132=log232=log225=5.
4.在数列{an}中,若an=则a4+a5的值为( )
A.17 B.23
C.25 D.41
解析:A 依题意,a4+a5=23+(2×5-1)=17.故选A.
5.若一数列为1,37,314,321,…,则398( )
A.不在此数列中
B.是这个数列的第13项
C.是这个数列的第14项
D.是这个数列的第15项
解析:D 因为1=37×0,37=37×1,314=37×2,321=37×3,所以符合题意的一个通项公式为an=37(n-1).由37(n-1)=398,解得n=15,所以398是这个数列的第15项.故选D.
6.〔多选〕满足下列条件的数列{an}(n∈N+)是递增数列的为( )
A.an= B.an=n2+n
C.an=1-2n D.an=2n+1
解析:BD A项,因为an+1-an=-=-<0,所以是递减数列;B项,因为an+1-an=-(n2+n)=2n+2>0,所以是递增数列;C项,因为an+1-an=[1-2(n+1)]-(1-2n)=-2<0,所以是递减数列;D项,因为an+1-an=(2n+1+1)-(2n+1)=2n>0,所以是递增数列.故选B、D.
7.数列-1,1,-2,2,-3,3,…的一个通项公式为 an= .
解析:注意到数列的奇数项与偶数项的特点即可得
an=
8.已知递增数列{an}的各项均是正整数,且满足=3n,则a1= 2 ,a4+a5= 15 .
解析:由已知=3,若a1=1,将有a1=3,矛盾;若a1=k≥3,则ak==3≤a1,与{an}单调性矛盾;故a1=2.由a1=2,有a2==3,a3==6,所以a6==9.又a3<a4<a5<a6,则6<a4<a5<9,所以a4=7,a5=8,故a4+a5=15.
9.某少数民族的刺绣有着悠久的历史,图①②③④为最简单的四个图案,这些图案都由小正方形构成,小正方形数越多,刺绣越漂亮.现按同样的规律刺绣(小正方形的摆放规律相同),设第n个图形包含f(n)个小正方形,则f(n)= 2n2-2n+1 .
解析:f(1)=1=2×1×0+1,
f(2)=1+3+1=2×2×1+1,
f(3)=1+3+5+3+1=2×3×2+1,
f(4)=1+3+5+7+5+3+1=2×4×3+1,
故f(n)=2n(n-1)+1.
10.根据数列的通项公式,写出数列的前5项,并用图象表示出来:
(1)an=(-1)n+2;
(2)an=.
解:(1)a1=1,a2=3,a3=1,a4=3,a5=1.图象如图①.
(2)a1=2,a2=,a3=,a4=,a5=.图象如图②.
11.设函数f(x)=an=f(n)(n∈N+),若数列{an}是递减数列,则实数k的取值范围为( )
A.(-∞,2) B.
C. D.
解析:C 因为数列{an}是递减数列,所以只需k-2<0且a1>a2,即k<2且k<,故实数k的取值范围为.
12.数列{an}的通项公式为an=n2-2λn(n=1,2,…).若{an}为递增数列,则λ的取值范围为 ( -∞,) .
解析:∵数列{an}是递增数列,∴an+1>an,∴(n+1)2-2λ(n+1)>n2-2λn,即2λ<2n+1恒成立.∵n≥1且n∈Z,则2n+1≥3,∴2λ<3,即λ<.
13.已知在数列{an}中,an=1+(n∈N+,a∈R且a≠0).
(1)若a=-7,求数列{an}中的最大项和最小项的值;
(2)若对任意的n∈N+,都有an≤a6成立,求实数a的取值范围.
解:(1)∵an=1+(n∈N+,a∈R且a≠0),a=-7,
∴an=1+.结合函数f(x)=1+的单调性,可知1>a1>a2>a3>a4;a5>a6>a7>…>an>1(n∈N+).
∴数列{an}中的最大项为a5=2,最小项为a4=0.
(2)an=1+=1+.
由对任意的n∈N+,都有an≤a6成立及函数f(x)=1+的单调性可得5<<6,∴-10<a<-8.
即实数a的取值范围为(-10,-8).
14.大衍数列,来源于《乾坤谱》中对易传“大衍之数五十”的推论.主要用于解释中国传统文化中的太极衍生原理.数列中的每一项,都代表太极衍生过程中,曾经经历过的两仪数量总和.它是中华传统文化中隐藏着的世界数学史上第一道数列题目.该数列从第一项起依次是0,2,4,8,12,18,24,32,40,50,…,则( )
A.该数列的第16项为144
B.该数列的第16项为128
C.200是该数列的第18项
D.200不是该数列中的项
解析:B 由此数项的前10项的规律可知,当n为偶数时,an=,当n为奇数时,an=.对于A、B,a16==128,所以A错误,B正确;对于C,a18==162≠200,所以C错误;对于D,若200是此数列的偶数项,则=200,得n=20,所以200是此数列的第20项,所以D错误.故选B.
15.已知函数f(x)=(x≥1),构造数列an=f(n)(n∈N+).
(1)求证:an>-2;
(2)数列{an}是递增数列还是递减数列?为什么?
解:(1)证明:因为f(x)===-2+,所以an=-2+.因为n∈N+,所以an>-2.
(2)数列{an}为递减数列.
因为an=-2+,所以an+1-an=-=-=<0,
即an+1<an,所以数列{an}为递减数列.
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