内容正文:
第四章 数列
4.1 数列的概念
第2课时 数列的递推关系及前n项和
【学习与目标】
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S1
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√
×
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B
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C
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1.理解数列的递推公式是数列的一种表示形式.2.掌握由数列的递推公式求数列的通项公式的方法.
填一填
1.数列的递推公式
如果一个数列的 eq \o(□,\s\up3(1)) 或 eq \o(□,\s\up3(2)) 之间的关系可以用一个式子来表示,那么这个式子叫做这个数列的递推公式.
【提醒】 用递推公式求出一个数列,必须已知:
①“基础”——数列{an}的第1项(或前几项);
②递推关系——数列{an}的任意一项an与它的前一项an-1(n≥2)(或前几项)间的关系,并且这个关系可以用一个公式来表示.
2.数列的前n项和
(1)数列{an}的前n项和:把数列{an}从第1项起到第n项止的各项之和,称为数列{an}的前n项和,记作Sn,即Sn= eq \o(□,\s\up3(3)) .
(2)数列的前n项和公式:如果数列{an}的前n项和Sn与它的 eq \o(□,\s\up3(4)) 之间的对应关系可以用一个式子来表示,那么这个式子叫做这个数列的前n项和公式.
3.an与Sn的关系式
an= eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(\o(□,\s\up3(5)) ,n=1,,\o(□,\s\up3(6)) ,n≥2.))
练一练
1.判断正误
(1)在数列{an}中,若an+1=2an,n∈N*,则a2=2a1.( )
(2)利用an+1=2an,n∈N*可以确定数列{an}.( )
(3)递推公式是表示数列的一种方法.( )
(4)S2n表示数列{an}中所有偶数项的和.( )
2.数列1,3,6,10,15,…的递推公式是( )
A.an+1=an+n,n∈N*
B.an=an-1+n,n∈N*,n≥2
C.an+1=an+(n+1),n∈N*,n≥2
D.an=an-1+(n-1),n∈N*,n≥2
解析 代入验证知选B.
3.已知数列{an}满足a1=2,an=1+ eq \f(1,an-1)(n>1,n∈N*),则a3=( )
A.2
B. eq \f(3,2)
C. eq \f(5,3)
D. eq \f(8,5)
解析 根据题意,a1=2,a2=1+ eq \f(1,a1)= eq \f(3,2),a3=1+ eq \f(1,a2)= eq \f(5,3).故选C.
4.数列{an}的前n项和Sn=3n,则a3= .
解析 a3=S3-S2=33-32=18.
类型一 由数列的递推公式求指定项 自主探究
1.已知数列{an}满足a1=1,a2=1,an+2=an+1+an,则a5的值为( )
A.5
B.6
C.7
D.8
解析 由题意a3=a2+a1=2,a4=a3+a2=3,a5=a4+a3=5.
2.已知数列{an}满足a1=1,an+1=4an+3,则a4=( )
A.67
B.115
C.31
D.127
解析 因为数列{an}满足a1=1,an+1=4an+3,所以a2=4a1+3=7,a3=4a2+3=31,a4=4a3+3=127.
3.已知数列{an}中,a1=1,anan-1=an-1+(-1)n(n≥2),则 eq \f(a3,a5)的值是 .
eq \f(3,4)
解析 由anan-1=an-1+(-1)n得an=1+ eq \f((-1)n,an-1),又a1=1,所以a2=1+ eq \f((-1)2,a1)=2,a3=1+ eq \f((-1)3,a2)= eq \f(1,2),a4=1+ eq \f((-1)4,a3)=3,a5=1+ eq \f((-1)5,a4)= eq \f(2,3),因此 eq \f(a3,a5)= eq \f(\f(1,2),\f(2,3))= eq \f(3,4).
由递推公式求数列的项的方法
根据递推公式写出数列的前几项,要弄清楚公式中各部分的关系,依次代入计算即可.
类型二 由数列的递推公式求通项公式
【例1】 (1)已知数列{an}满足a1=-1,an+1=an+ eq \f(1,n(n+1)),n∈N*,求{an}的通项公式.
(2)设数列{an}中,a1=1,an= eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(1-\f(1,n)))·an-1(n≥2),求{an}的通项公式.
[解] (1)∵an+1-an= eq \f(1,n(n+1)),
∴a2-a1= eq \f(1,1×2);a3-a2= eq \f(1,2×3);
a4-a3= eq \f(1,3×4);…;an-an-1= eq \f(1,(n-1)n)(n≥2).
以上各式累加,得an-a1= eq \f(1,1×2)+ eq \f(1,2×3)+…+ eq \f(1,(n-1)n)= eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(1-\f(1,2)))+ eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2)-\f(1,3)))+…+ eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,n-1)-\f(1,n)))=1- eq \f(1,n)(n≥2).
∴an+1=1- eq \f(1,n)(n≥2),
∴an=- eq \f(1,n)(n≥2).
又∵n=1时,a1=-1,符合上式,
∴an=- eq \f(1,n)(n∈N*).
(2)∵a1=1,an= eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(1-\f(1,n)))an-1(n≥2),
∴ eq \f(an,an-1)= eq \f(n-1,n)(n≥2),则an= eq \f(an,an-1)× eq \f(an-1,an-2)× eq \f(an-2,an-3)×…× eq \f(a3,a2)× eq \f(a2,a1)×a1= eq \f(n-1,n)× eq \f(n-2,n-1)× eq \f(n-3,n-2)×…× eq \f(2,3)× eq \f(1,2)×1= eq \f(1,n)(n≥2).
又∵n=1时,a1=1,符合上式,∴an= eq \f(1,n)(n∈N*).
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=g(n)·an,则可以分别通过累加法或累乘法求得通项公式.
(1)累加法:当an=an-1+f(n)(n≥2)时,常用an=(an-an-1)+(an-1-an-2)+…+(a2-a1)+a1求通项公式.
(2)累乘法:当 eq \f(an,an-1)=g(n)(n≥2)时,常用an= eq \f(an,an-1)· eq \f(an-1,an-2)·…· eq \f(a2,a1)·a1求通项公式.
[跟踪训练1] (1)已知数列{an}满足a1=1,an=an-1+ eq \r(n+1)- eq \r(n)(n≥2),则数列{an}的通项公式为 .
(2)若数列{an}满足(n-1)an=(n+1)an-1(n≥2),且a1=1,则a100= .
an= eq \r(n+1)- eq \r(2)+1,n∈N*
解析 (1)因为an=an-1+ eq \r(n+1)- eq \r(n)(n≥2),
所以an-an-1= eq \r(n+1)- eq \r(n)(n≥2).
所以an=(an-an-1)+(an-1-an-2)+…+(a2-a1)+a1=( eq \r(n+1)- eq \r(n))+( eq \r(n)- eq \r(n-1))+…+( eq \r(3)- eq \r(2))+1= eq \r(n+1)- eq \r(2)+1(n≥2).
又n=1时,a1=1也符合上式,
所以an= eq \r(n+1)- eq \r(2)+1,n∈N*.
(2)由(n-1)an=(n+1)an-1(n≥2),
得 eq \f(an,an-1)= eq \f(n+1,n-1)(n≥2),则a100=a1· eq \f(a2,a1)· eq \f(a3,a2)·…· eq \f(a100,a99)=1× eq \f(3,1)× eq \f(4,2)×…× eq \f(101,99)= eq \f(100×101,2)=5 050.
类型三 由数列的前n项和求通项公式
【例2】 (2023·河北衡水中学月考)已知数列{an}的前n项和为Sn=n2+ eq \f(1,2)n,求数列{an}的通项公式.
[解] 当n≥2时,an=Sn-Sn-1=n2+ eq \f(1,2)n- eq \b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\co1((n-1)2+\f(1,2)(n-1)))=2n- eq \f(1,2),①
当n=1时,a1=S1=12+ eq \f(1,2)×1= eq \f(3,2),也满足①式.
∴数列{an}的通项公式为an=2n- eq \f(1,2),n∈N*.
eq \x(变式探究)
1.(变条件)把本例中数列{an}的前n项和改为Sn=n2+ eq \f(1,2)n+1,求数列{an}的通项公式.
解 当n≥2时,an=Sn-Sn-1= eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(n2+\f(1,2)n+1))- eq \b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\co1((n-1)2+\f(1,2)(n-1)+1))=2n- eq \f(1,2),①
当n=1时,a1=S1=12+ eq \f(1,2)+1= eq \f(5,2),不满足①式.
∴an= eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(\f(5,2),n=1,,2n-\f(1,2),n≥2.))
2.(变条件)把本例中数列{an}的前n项和改为Sn=2n-1,求数列{an}的通项公式.
解 当n≥2时,an=Sn-Sn-1=2n-1-(2n-1-1)=2n-1,①
当n=1时,a1=S1=21-1=1,也满足①式,
∴an=2n-1.
利用an= eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(S1,n=1,,Sn-Sn-1,n≥2,))可由数列的前n项和Sn求得数列的通项公式.解题过程通常分为四步:
第一步,令n=1,由a1=S1得a1;
第二步,令n≥2,由an=Sn-Sn-1得an;
第三步,在第二步求得的an的解析式中取n=1,判断其值是否等于a1;
第四步,写出数列的通项公式(若第三步中n=1时,an解析式的值不等于a1,则数列的通项公式一定要分段表示).
[跟踪训练2] (1)已知数列{an}的前n项和Sn=3n2,则an= .
(2)已知数列{an}的前n项和Sn=2n2+n-5,那么它的通项公式是
.
an= eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(-2,n=1,,4n-1,n≥2))
解析 (1)①当n=1时,a1=S1=3;
②当n≥2时,Sn-1=3(n-1)2=3n2-6n+3,
an=Sn-Sn-1=6n-3,当n=1时,a1=3也符合上式,
所以an=6n-3.
(2)①当n=1时,a1=S1=2+1-5=-2;
②当n≥2时,an=Sn-Sn-1=(2n2+n-5)-[2(n-1)2+(n-1)-5]=4n-1,
当n=1时,a1=-2不符合上式,
所以an= eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(-2,n=1,,4n-1,n≥2.))
1.知识清单
(1)数列的递推公式.
(2)由数列的递推公式求通项公式.
(3)数列的前n项和Sn与an的关系.
2.方法归纳:归纳法、迭代法、累加法、累乘法.
3.常见误区:求通项公式时易忽略验证n=1时的情况.
1.(2023·安徽合肥八中月考)数列 eq \f(1,2),- eq \f(1,4), eq \f(1,8),- eq \f(1,16),…的第n项an与第n+1项an+1 的关系是( )
A.an+1=2an
B.an+1=-2an
C.an+1= eq \f(1,2)an
D.an+1=- eq \f(1,2)an
2.已知数列{an}中,an-1=man+1(n>1,n∈N*),且a2=3,a3=5,则实数m等于( )
A. eq \f(2,5)
B. eq \f(2,3)
C.2
D.3
解析 由题意得a2=ma3+1,即3=5m+1,∴m= eq \f(2,5).
解析 由Sn=n2+1得a1=12+1=2,a5=S5-S4=(52+1)-(42+1)=9,故a1+a5=2+9=11.
3.数列{an}满足an+1= eq \f(1,1+2an),a4=2,则a1= .
- eq \f(7,10)
解析 由an+1= eq \f(1,1+2an)得an= eq \f(1,2)
eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,an+1)-1)),
又a4=2,所以a3= eq \f(1,2)
eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,a4)-1))=- eq \f(1,4),
a2= eq \f(1,2)
eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,a3)-1))=- eq \f(5,2),a1= eq \f(1,2)
eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,a2)-1))=- eq \f(7,10).
4.已知数列{an}的前n项和Sn=n2+1,则a1+a5= .
基础巩固
1.(多选)下列数列符合递推公式an= eq \r(2)an-1(n≥2)的是( )
A.1,2,3,4,…
B.1, eq \r(2),2,2 eq \r(2),…
C. eq \r(2),2,2 eq \r(2),4,…
D.0, eq \r(2),2,2 eq \r(2),…
解析 B与C中从第2项起,后一项是前一项的 eq \r(2)倍,符合递推公式an= eq \r(2)an-1(n≥2).A中,后一项与前一项之差为1,递推公式为an=an-1+1(n≥2).D中,无法推出递推公式.故选BC.
2.已知数列{an}中,a1=1,an+1= eq \f(1,2)an+ eq \f(1,2n),则该数列的第3项等于( )
A.1
B. eq \f(1,4)
C. eq \f(3,4)
D. eq \f(5,8)
解析 a2= eq \f(1,2)a1+ eq \f(1,2)=1,a3= eq \f(1,2)a2+ eq \f(1,22)= eq \f(3,4).
3.(多选)已知数列{an}的前n项和满足Sn=2n+1-1,下列说法正确的是( )
A.a1=3
B.an=2n(n≥2)
C.an=2n
D.an=2n(n≥2)
解析 Sn=2n+1-1,当n=1时,a1=S1=21+1-1=3;当n≥2时,an=Sn-Sn-1=(2n+1-1)-(2n-1)=2n,当n=1时,a1=3不符合上式.故an= eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(3,n=1,,2n,n≥2.))故选AD.
4.已知数列{an}中,a1=1,a2=3,an=an-1+ eq \f(1,an-2)(n≥3),则a5=( )
A. eq \f(55,12)
B. eq \f(13,3)
C.4
D.5
解析 n=3时,a3=a2+ eq \f(1,a1)=3+1=4;
n=4时,a4=a3+ eq \f(1,a2)=4+ eq \f(1,3)= eq \f(13,3);
n=5时,a5=a4+ eq \f(1,a3)= eq \f(13,3)+ eq \f(1,4)= eq \f(55,12).故选A.
5.已知数列{an}满足a1=1, eq \r(an+1)- eq \r(an)=1,则a10=( )
A.10
B.20
C.100
D.200
解析 由数列{an}满足a1=1, eq \r(an+1)- eq \r(an)=1,可得 eq \r(a1)=1, eq \r(a2)- eq \r(a1)=1, eq \r(a3)- eq \r(a2)=1,…, eq \r(a10)- eq \r(a9)=1,累加可得 eq \r(a10)=10,所以a10=100.
6.已知数列{an}中,a8=- eq \f(1,2),an+1=- eq \f(1,an+1),则a2等于( )
A.-2
B.-1
C.- eq \f(1,2)
D.1
解析 解法一:由an+1=- eq \f(1,an+1),得a2=- eq \f(1,a1+1),
a3=- eq \f(1,-\f(1,a1+1)+1)=- eq \f(a1+1,a1),
a4=- eq \f(1,-\f(a1+1,a1)+1)=a1,…,由上可知,数列{an}是周期为3的周期数列,
则a8=a2×3+2=a2=- eq \f(1,2).
解法二:由an+1=- eq \f(1,an+1)得an=- eq \f(1,an+1)-1.
又a8=- eq \f(1,2),∴a7=- eq \f(1,a8)-1=1,a6=- eq \f(1,a7)-1=-2,a5=- eq \f(1,a6)-1=- eq \f(1,2),a4=1,a3=-2,a2=- eq \f(1,2).
7.已知数列{an}的前n项和为Sn=n2-3n,则a8= .
解析 因为Sn=n2-3n,所以a8=S8-S7=82-3×8-(72-3×7)=12.
8.若数列{an}满足an+1=2an-1,且a8=16,则a6= .
eq \f(19,4)
解析 ∵an+1=2an-1,∴a8=2a7-1=16,
解得a7= eq \f(17,2),又a7=2a6-1= eq \f(17,2),解得a6= eq \f(19,4).
9.(2024·烟台期末)已知数列{an}中,a1=1,an+1= eq \f(n,n+1)an.
(1)写出数列{an}的前5项;
(2)猜想数列{an}的通项公式.
解 (1)由题意可得:
a1=1,
a2= eq \f(1,1+1)a1= eq \f(1,2)×1= eq \f(1,2),
a3= eq \f(2,2+1)a2= eq \f(2,3)× eq \f(1,2)= eq \f(1,3),
a4= eq \f(3,3+1)a3= eq \f(3,4)× eq \f(1,3)= eq \f(1,4),
a5= eq \f(4,4+1)a4= eq \f(4,5)× eq \f(1,4)= eq \f(1,5).
(2)根据(1)猜想数列{an}的通项公式为an= eq \f(1,n).
10.在数列{an}中,a1=2,an+1=an+ln eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(1+\f(1,n))),求{an}的通项公式.
解 由题意,得an+1-an=ln eq \f(n+1,n),
∴an-an-1=ln eq \f(n,n-1)(n≥2),
an-1-an-2=ln eq \f(n-1,n-2),
…,
a2-a1=ln eq \f(2,1),
∴当n≥2时,an-a1=ln eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(n,n-1)·\f(n-1,n-2)·…·\f(2,1)))=ln n,
∴an=2+ln n(n≥2).
当n=1时,a1=2也符合上式,
∴an=2+ln n(n∈N*).
能力提升
11.已知数列{an}的前n项和Sn满足Sn+Sm=Sn+m(m,n∈N*)且a1=5,则a8=( )
A.40
B.35
C.5
D.12
解析 数列{an}的前n项和Sn满足Sn+Sm=Sn+m(n,m∈N*)且a1=5,令m=1,则Sn+1=Sn+S1=Sn+5.所以an+1=5,故a8=5.故选C.
12.(多选)已知数列{an}满足(n-1)an=nan-1+1(n≥2),Sn为其前n项和,且a1=1,则下列结论正确的是( )
A.a2=3
B.a3=6
C.S4=20
D.an=2n-1
解析 由(n-1)an=nan-1+1(n≥2),得(n-1)an+(n-1)=nan-1+n(n≥2),又a1=1,所以当n≥2时, eq \f(an+1,an-1+1)= eq \f(n,n-1),所以an+1=(a1+1)× eq \f(a2+1,a1+1)× eq \f(a3+1,a2+1)×…× eq \f(an+1,an-1+1)=2× eq \f(2,1)× eq \f(3,2)×…× eq \f(n,n-1)=2n,从而an=2n-1.当n=1时,a1=1也满足上式,所以an=2n-1.所以a2=2×2-1=3,a3=2×3-1=5,a4=2×4-1=7.所以S4=a1+a2+a3+a4=1+3+5+7=16.故选AD.
13.(2023·湖北武汉第四中学月考)已知数列{an}满足an+1= eq \f(1,1-an)(n∈N*),a8=2,则a1= ;若数列{an}的前n项和是Sn,则S2 024= .
eq \f(1,2)
eq \f(2 027,2)
解析 ∵数列{an}满足an+1= eq \f(1,1-an)(n∈N*),∴an+2= eq \f(1,1-an+1)= eq \f(1,1-\f(1,1-an))= eq \f(1-an,-an),
∴an+3= eq \f(1,1-an+2)= eq \f(1,1-\f(1-an,-an))=an,∴数列{an}是周期为3的周期数列.∵a8=2,∴2= eq \f(1,1-a7),解得a7= eq \f(1,2),同理可得a6=-1,则a1=a7= eq \f(1,2),a2=a8=2,a3=a6=-1,又2 024=3×674+2,∴S2 024=674×(a1+a2+a3)+a1+a2=674× eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2)+2-1))+ eq \f(1,2)+2= eq \f(2 027,2).
多元数学
14. eq \a\vs4\al((数学运算))数列{an}的前n项和为Sn,且Sn=n(n+1)(n∈N*).
(1)求数列{an}的通项公式;
(2)若数列{bn}满足:an= eq \f(b1,3+1)+ eq \f(b2,32+1)+ eq \f(b3,33+1)+…+ eq \f(bn,3n+1),求数列{bn}的通项公式.
解 (1)当n=1时,a1=S1=2.
当n≥2时,an=Sn-Sn-1=2n,当n=1时,a1=2也满足该式,
∴数列{an}的通项公式为an=2n(n∈N*).
(2)an= eq \f(b1,3+1)+ eq \f(b2,32+1)+ eq \f(b3,33+1)+…+ eq \f(bn,3n+1)(n≥1),①
an+1= eq \f(b1,3+1)+ eq \f(b2,32+1)+ eq \f(b3,33+1)+…+ eq \f(bn,3n+1)+ eq \f(bn+1,3n+1+1),②
②-①,得 eq \f(bn+1,3n+1+1)=an+1-an=2,
∴bn+1=2(3n+1+1),∴当n≥2时,bn=2(3n+1),
又a1= eq \f(b1,3+1)=2,∴b1=8,也满足上式,故bn=2(3n+1)(n∈N*).
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