内容正文:
第四章 数列
习题课1 等差、等比数列的综合应用
【学习与目标】
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1.理解等差数列与等比数列之间的转化关系. 2.会求解等差、等比数列中的探究性问题及综合问题.
类型一 等差、等比数列的相互转化
【例1】 已知数列{an}是首项为2,公差为-1的等差数列,令bn= eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2))) eq \s\up32(an),求证:数列{bn}是等比数列,并求其通项公式.
[解] 依题意得an=2+(n-1)×(-1)=3-n,
于是bn= eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2))) eq \s\up32(3-n).
而 eq \f(bn+1,bn)= eq \f(\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2)))\s\up32(2-n),\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2)))\s\up32(3-n))= eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2))) eq \s\up32(-1)=2,b1= eq \f(1,4),
∴数列{bn}是首项为 eq \f(1,4),公比为2的等比数列,通项公式为bn= eq \f(1,4)·2n-1=2n-3.
在等差数列与等比数列相互转化的过程中,相当于构造了一个新的数列,需判断是否满足等比数列或等差数列的定义.特别注意等比数列是否有意义.
[跟踪训练1] (1)已知数列{an}为等差数列,则下列数列一定为等比数列的是
( )
A.{2an}
B.{lg an}
C.{a eq \o\al(2,n)}
D. eq \b\lc\{\rc\}(\a\vs4\al\co1(\f(1,an)))
(2)等比数列{an}中,a4=2,a7=5,则数列{lg an}的前10项和等于 .
解析 (1)设{an}的公差为d,即an+1-an=d,
显然2an≠0,且 eq \f(2an+1,2an)=2an+1-an=2d是常数,
所以{2an}是等比数列.
若{an}中有一项为1,则{lg an}中有一项为0,则{lg an}不是等比数列.
只要d≠0,{a eq \o\al(2,n)}, eq \b\lc\{\rc\}(\a\vs4\al\co1(\f(1,an)))都不可能是等比数列,
如an=n,则a eq \o\al(2,n)=n2, eq \f(1,an)= eq \f(1,n)都不是等比数列.故选A.
(2)易知{lg an}为等差数列,
则lg a1+lg a2+…+lg a10=5(lg a1+lg a10)
=5(lg a4+lg a7)=5×lg 10=5.
类型二 等差、等比数列中的探究性问题
【例2】 已知数列{an}的前n项和为Sn,且满足a1=1,nSn+1-(n+1)Sn= eq \f(n(n+1),2),n∈N*.
(1)求数列{an}的通项公式;
(2)是否存在正整数k,使ak,S2k,a4k成等比数列?若存在,求k的值;若不存在,请说明理由.
[解] (1)解法一:由nSn+1-(n+1)Sn= eq \f(n(n+1),2),
得 eq \f(Sn+1,n+1)- eq \f(Sn,n)= eq \f(1,2),
∴数列 eq \b\lc\{\rc\}(\a\vs4\al\co1(\f(Sn,n)))是首项为 eq \f(S1,1)=1,公差为 eq \f(1,2)的等差数列,
∴ eq \f(Sn,n)=1+ eq \f(1,2)(n-1)= eq \f(1,2)(n+1),
∴Sn= eq \f(n(n+1),2).
当n≥2时,an=Sn-Sn-1= eq \f(n(n+1),2)- eq \f((n-1)n,2)=n.
而a1=1也适合上式,∴an=n.
解法二:由nSn+1-(n+1)Sn= eq \f(n(n+1),2),
得n(Sn+1-Sn)-Sn= eq \f(n(n+1),2),
∴nan+1-Sn= eq \f(n(n+1),2),①
当n≥2时,(n-1)an-Sn-1= eq \f(n(n-1),2),②
①-②得nan+1-(n-1)an-an= eq \f(n(n+1),2)- eq \f(n(n-1),2),
∴nan+1-nan=n,∴an+1-an=1,
∴数列{an}是从第2项起的等差数列,且首项为a2=2,公差为1,
∴an=2+(n-2)×1=n(n≥2).
而a1=1也适合上式,∴an=n.
(2)由(1)知an=n,Sn= eq \f(n(n+1),2).
假设存在正整数k,使ak,S2k,a4k成等比数列,
则S eq \o\al(2,2k)=ak·a4k,即 eq \b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\co1(\f(2k(2k+1),2)))
eq \s\up32(2)=k·4k.
∵k为正整数,∴(2k+1)2=4,
得2k+1=2或2k+1=-2,
解得k= eq \f(1,2)或k=- eq \f(3,2),与k为正整数矛盾.
∴不存在正整数k,使ak,S2k,a4k成等比数列.
等差、等比数列中探究性问题的求解策略
(1)在探究存在性问题时一般借助等差、等比数列的定义、公式及性质列出关系式(方程)求解.
(2)证明存在时一般要求出具体的数值或关系,而要说明不存在,则要体现任意性或矛盾性.
[跟踪训练2] 已知数列{an}的前n项和Sn= eq \f(3n2-n,2),n∈N*.
(1)求数列{an}的通项公式;
(2)证明:对任意的n>1,都存在m∈N*,使得a1,an,am成等比数列.
解 (1)由Sn= eq \f(3n2-n,2),得a1=S1=1,
当n≥2时,an=Sn-Sn-1=3n-2,
当n=1时,a1=1也适合上式,
所以数列{an}的通项公式为an=3n-2.
(2)证明:要使得a1,an,am(n>1)成等比数列,只需要a eq \o\al(2,n)=a1·am,
即(3n-2)2=1·(3m-2),即m=3n2-4n+2,
由于n>1,m∈N*,所以m>n,所以对任意的n>1,都存在m∈N*,使得a1,an,am成等比数列.
类型三 等差、等比数列的综合应用
【例3】 已知等差数列{an}满足:a1=2,且a1,a2,a5成等比数列.
(1)求数列{an}的通项公式;
(2)记Sn为数列{an}的前n项和,是否存在正整数n,使得Sn>60n+800?若存在,求n的最小值;若不存在,说明理由.
[解] (1)设数列{an}的公差为d,
依题意知2,2+d,2+4d成等比数列,
故有(2+d)2=2(2+4d),
即d2-4d=0,解得d=0或d=4.
当d=0时,an=2;
当d=4时,an=2+(n-1)×4=4n-2.
(2)当an=2时,Sn=2n,显然2n<60n+800,
此时不存在正整数n满足条件.
当an=4n-2时,Sn= eq \f(n[2+(4n-2)],2)=2n2.
令2n2>60n+800,即n2-30n-400>0,解得n>40.
此时存在正整数n,使得Sn>60n+800成立,n的最小值为41.
综上,当an=2时,不存在满足题意的n;
当an=4n-2时,存在满足题意的n,n的最小值为41.
解决等差、等比数列的综合问题应注意的四个方面
(1)等差数列、等比数列公式和性质的灵活应用.
(2)对于解答题注意基本量及方程思想的运用.
(3)注重问题的转化,利用非等差数列、非等比数列构造出新的等差数列或等比数列,以便利用公式和性质解题.
(4)当题中出现多个数列时,既要纵向观察单一数列的项与项之间的关系,又要横向观察各数列之间的内在联系.
[跟踪训练3] 已知等差数列{an}中,a2+a10=22,a8=15,等比数列{bn}中,b1=a2,b4=a40+2.
(1)求数列{bn}的通项公式;
(2)记cn= eq \f(log3bn-3,an-4),求cn的最小值.
解 (1)设等差数列{an}的公差为d,
由a2+a10=22,a8=15,得 eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(a1+d+a1+9d=22,,a1+7d=15,))解得 eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(a1=1,,d=2,))
所以an=2n-1,从而b1=a2=3,b4=a40+2=81.
设{bn}的公比为q,则有b4=b1q3,
即81=3q3,解得q=3,所以bn=3n.
(2)由(1)可知cn= eq \f(log3bn-3,an-4)= eq \f(n-3,2n-5),
所以cn+1-cn= eq \f(1,(2n-3)(2n-5)),
当n=1时,c2-c1为正值,所以c2>c1;
当n=2时,c3-c2为负值,所以c2>c3;
当n≥3时,cn+1-cn为正值,所以cn+1>cn.
又c1= eq \f(2,3)>c3=0,所以当n=3时,cn有最小值0.
1.等差数列{an}的公差为2,若a2,a4,a8成等比数列,则{an}的前n项和Sn=( )
A.n(n+1)
B.n(n-1)
C. eq \f(n(n+1),2)
D. eq \f(n(n-1),2)
解析 由a2,a4,a8成等比数列,得a eq \o\al(2,4)=a2a8,
即(a1+6)2=(a1+2)(a1+14),所以a1=2.
所以Sn=2n+ eq \f(n(n-1),2)×2=2n+n2-n=n(n+1).
2.设递增的等比数列{an}的公比为q,且a1=3,3a1,2a2,a3成等差数列,则q=( )
A.3
B.1或3
C.2
D.2或3
解析 ∵3a1,2a2,a3成等差数列,∴4a2=3a1+a3,即4a1q=3a1+a1q2,∴(q-1)(q-3)=0,解得q=1或q=3.但q=1时,数列{an}不是递增数列,不合题意,∴q=3.
3.若an=2n-1,设bn=2a2n,则数列{bn}的公比为 .
解析 eq \f(bn+1,bn)= eq \f(2a2n+2,2a2n)=2a2n+2-a2n=2(4n+3)-(4n-1)=16.
4.已知等比数列{an}中,各项都是正数,且a1, eq \f(1,2)a3,2a2成等差数列,则 eq \f(a9+a10,a7+a8)= .
3+2 eq \r(2)
解析 依题意可得a3=a1+2a2,
整理得q2=1+2q,解得q=1± eq \r(2),
因为各项都是正数,
所以q>0,所以q=1+ eq \r(2),
所以 eq \f(a9+a10,a7+a8)=q2=3+2 eq \r(2).
基础巩固
1.已知各项都不为0的等差数列{an}满足2a2-a eq \o\al(2,7)+2a12=0,数列{bn}是等比数列,且b7=a7,则b3b11等于( )
A.16
B.8
C.4
D.2
解析 因为{an}是等差数列,且2a2-a eq \o\al(2,7)+2a12=0,
所以4a7-a eq \o\al(2,7)=0.
又由题意知a7≠0,所以a7=4.
又b7=a7,所以b3b11=b eq \o\al(2,7)=42=16.
2.数列{an}是公差不为0的等差数列,且a1,a3,a7为等比数列{bn}中连续的三项,则数列{bn}的公比为( )
A. eq \r(2)
B.4
C.2
D. eq \f(1,2)
解析 因为a1,a3,a7为等比数列{bn}中连续的三项,所以a eq \o\al(2,3)=a1a7.
设数列{an}的公差为d,d≠0,
则(a1+2d)2=a1(a1+6d),所以a1=2d,
所以数列{bn}的公比为 eq \f(a3,a1)= eq \f(4d,2d)=2.
3.已知数列{an}为等比数列,若a2a3=2a1,且a4与2a7的等差中项为 eq \f(5,4),则a1a2a3a4=( )
A.5
B.512
C.1 024
D.2 048
解析 设等比数列{an}的公比为q,
因为a2a3=2a1,所以a2a3=a1q·a1q2=2a1,
解得a1q3=2,即a4=2.
因为a4与2a7的等差中项为 eq \f(5,4),
所以a4+2a7=2× eq \f(5,4),
即a4+2a4q3= eq \f(5,2),解得q= eq \f(1,2),
所以a1= eq \f(a4,q3)=16,所以a2a3=2a1=32,
所以a1a2a3a4=16×32×2=1 024.故选C.
4.已知数列{an}的前n项和为Sn,且a1=1,an+1=Sn,若an∈(0,2 024),则称项an为“和谐项”,则数列{an}的所有“和谐项”的项数为( )
A.10
B.11
C.12
D.13
解析 由a1=1,an+1=Sn,可得a2=S1=a1=1,
当n≥2时,an=Sn-1,又由an+1=Sn,
两式相减,可得an+1-an=Sn-Sn-1=an,
即an+1=2an,即 eq \f(an+1,an)=2,
则数列{an}从第二项起是公比为2的等比数列,
即an=2n-2,n≥2,
又an∈(0,2 024),n≥2,则0<2n-2<2 024,n≥2,
可得2≤n<13,n∈N*,又a1=1,所以“和谐项”共有12项.
5.设Sn为等差数列{an}的前n项和,且∀n∈N*,都有 eq \f(Sn,n)> eq \f(Sn+1,n+1),若a7a8<0,则( )
A.Sn的最小值是S7
B.Sn的最小值是S8
C.Sn的最大值是S7
D.Sn的最大值是S8
解析 由 eq \f(Sn,n)> eq \f(Sn+1,n+1)得 eq \f(n(a1+an),2n)> eq \f((n+1)(a1+an+1),2(n+1)),
即an>an+1,
∴数列{an}为递减的等差数列,
∵a7a8<0,∴a7>0,a8<0,
∴当n≤7且n∈N*时,an>0;
当n≥8且n∈N*时,an<0,
∴Sn有最大值,最大值为S7.
6.若Sn=3n+1+m为等比数列{an}的前n项和,则m= .
解析 由a1=S1=9+m,a2=S2-S1=18,a3=S3-S2=54成等比数列,得182=(9+m)×54,解得m=-3.
7.已知等比数列{an}为递增数列.若a1>0,且2(a4+a6)=5a5,则数列{an}的公比q= .
解析 由2(a4+a6)=5a5,得2(a4+a4q2)=5a4q,
即2+2q2=5q,即(2q-1)(q-2)=0,解得q=2或 eq \f(1,2),
因为等比数列{an}为递增数列,a1>0,
所以q>1,则q=2.
8.设Sn是等比数列{an}的前n项和,S3=14,且a1+8,3a2,a3+6依次成等差数列,则a1·a3= .
解析 设等比数列{an}的公比为q,则S3=a1(1+q+q2)=14,①
又a1+8,3a2,a3+6依次成等差数列,则2×3a1q=a1+8+a1q2+6,
即6a1q-a1-a1q2=14,②
①②两式相加得a1q=4,
所以a1·a3=a1·a1q2=(a1q)2=42=16.
9.已知数列{an}的首项为1,Sn为数列{an}的前n项和,Sn+1=qSn+1,其中q>0,若2a2,a3,a2+2成等差数列,求数列{an}的通项公式.
解 由已知Sn+1=qSn+1,得Sn+2=qSn+1+1,
两式相减得an+2=qan+1,n≥1.
又由S2=qS1+1,a1=1,得a2=qa1,
故an+1=qan对所有n≥1都成立,
又a1=1,q>0,所以an≠0,
所以数列{an}是首项为1,公比为q的等比数列,
从而an=qn-1.
由2a2,a3,a2+2成等差数列,得2a3=3a2+2,
即2q2=3q+2,则(2q+1)(q-2)=0.
由已知q>0,得q=2,
所以an=2n-1.
10.已知数列{an}是公差d≠0的等差数列,且a5=6.
(1)求{an}的前9项的和S9;
(2)若a3=3,问在数列{an}中是否存在一项am(m是正整数),使得a3,a5,am成等比数列?若存在,求出m的值,若不存在,请说明理由.
解 (1)由题意,S9= eq \f(9(a1+a9),2)=9a5=9×6=54.
(2)由a3=3,且a5=6,
可得 eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(a1+2d=3,,a1+4d=6,))解得a1=0,d= eq \f(3,2),
可得an= eq \f(3,2)(n-1).
假设存在一项am(m是正整数),使得a3,a5,am成等比数列,则a eq \o\al(2,5)=a3·am,
∴62-3× eq \f(3,2)(m-1)=0,解得m=9.
∴存在一项a9,使得a3,a5,a9成等比数列,m=9.
能力提升
11.已知{an}是各项均为正数的等差数列,且lg a1,lg a2,lg a4成等差数列,又bn= eq \f(1,a2n),n=1,2,3,…,则( )
A.{bn}为等差数列
B.{bn}为等比数列
C.{an}为递增数列
D.{bn}为递增数列
解析 ∵lg a1,lg a2,lg a4成等差数列,
∴2lg a2=lg a1+lg a4,即a eq \o\al(2,2)=a1a4.
设等差数列{an}的公差为d,则(a1+d)2=a1(a1+3d),即d2=a1d.
当d=0时,{an}是一个各项均为正数的常数列,且an=a1,则bn= eq \f(1,a1),
∴{bn}是一个各项均为正数的常数列,此时C、D均不成立.
当d≠0时,d=a1>0,an=a1+(n-1)d=na1,
∴a2n=2na1,
bn= eq \f(1,a2n)= eq \f(1,a1)· eq \f(1,2n)= eq \f(1,2a1)· eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2)))
eq \s\up32(n-1),
∴{bn}是首项为b1= eq \f(1,2a1),公比为 eq \f(1,2)的等比数列.
此时,{an}为递增数列,{bn}为递减数列.
综上,{bn}是等比数列.故选B.
12.已知{an}是等差数列,公差d不为零,前n项和是Sn,若a3,a4,a8成等比数列,则( )
A.a1d>0,dS4>0
B.a1d<0,dS4<0
C.a1d>0,dS4<0
D.a1d<0,dS4>0
解析 因为a3,a4,a8成等比数列,所以a eq \o\al(2,4)=a3a8,
所以(a1+3d)2=(a1+2d)(a1+7d),
整理得-3a1d=5d2,即a1d=- eq \f(5,3)d2.
因为d≠0,所以a1d<0.
因为Sn=na1+ eq \f(n(n-1),2)d,
所以S4=4a1+6d,dS4=4a1d+6d2=- eq \f(2,3)d2<0.
13.已知各项均为正数的等比数列{an}中,a2=27,且a5+6a4=a2a3.
(1)求数列{an}的通项公式;
(2)设bn=2log3an,Sn是数列{bn}的前n项和,求使得Sn≥270恒成立的正整数n的最小值.
解 (1)设等比数列{an}的公比为q,
依题意得an>0,则q>0.
由a2=27,且a5+6a4=a2a3,
得a2q3+6a2q2=a eq \o\al(2,2)q,
即q2+6q-27=0,
解得q=-9(舍去)或q=3.
又a2=a1q=3a1,所以a1=9.
所以数列{an}的通项公式为an=9×3n-1=3n+1.
(2)由(1)得bn=2log3an=2log33n+1=2(n+1),
则bn+1-bn=2(n+2)-2(n+1)=2.
由等差数列的定义知,数列{bn}是首项b1=2×2=4,公差为2的等差数列,
则Sn= eq \f(n(b1+bn),2)= eq \f(n(4+2n+2),2)=n2+3n,
由Sn≥270,得n2+3n-270≥0,
解得n≤-18(舍去)或n≥15.
故使得Sn≥270恒成立的正整数n的最小值为15.
多元数学
14. eq \a\vs4\al((逻辑推理))已知数列{an}的前n项和为Sn,且满足a1=1, eq \f(1,2)Sn+1是3与4an的等差中项.
(1)设bn=an+1-2an,证明数列{bn}是等比数列;
(2)是否存在实数λ,使得不等式λ·4n+3≥Sn,对任意正整数n都成立?若存在,求出λ的最小值;若不存在,说明理由.
解 (1)证明:由题设得Sn+1=3+4an①,
∴Sn+2=3+4an+1②,
在①中令n=1,得S2=3+4a1,
∴a1+a2=3+4a1,∴a2=6,
∴b1=a2-2a1=4,
②-①得an+2=4an+1-4an,
∴an+2-2an+1=2(an+1-2an),
∴bn+1=2bn,
又bn≠0,∴ eq \f(bn+1,bn)=2,
∴数列{bn}是首项为4,公比为2的等比数列.
(2)由(1)得bn=2n+1,
即an+1-2an=2n+1,变形得到 eq \f(an+1,2n+1)- eq \f(an,2n)=1,
∴数列 eq \b\lc\{\rc\}(\a\vs4\al\co1(\f(an,2n)))是公差为1的等差数列,
由此得 eq \f(an,2n)= eq \f(a1,2)+n-1= eq \f(2n-1,2),
∴an=(2n-1)·2n-1,
∴Sn=3+4an-1=3+4(2n-3)·2n-2=3+(2n-3)·2n,n≥2,S1=1也符合上式,故Sn=3+(2n-3)·2n,n∈N*.
由λ·4n+3≥Sn,得λ≥ eq \f(2n-3,2n)恒成立,
令cn= eq \f(2n-3,2n),则λ≥(cn)max,
cn+1-cn= eq \f(2n-1,2n+1)- eq \f(2n-3,2n)= eq \f(5-2n,2n+1),
∴当n<3时,cn+1>cn;当n≥3时,cn+1<cn,
∴cn的最大值为c3= eq \f(3,8),
∴λ≥ eq \f(3,8),即λ的最小值为 eq \f(3,8).
$