2019版高考数学大一轮复习江苏专版文档:第六章 数列6-3 含答案 精品
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§6.3 等比数列及其前n 项和
考情考向分析 以考查等比数列的通项、前n 项和及性质为主,等比数列的证明也是考查的热点.本节内容在高考中既可以以填空题的形式进行考查,也可以以解答题的形式进行考查.解答题往往与等差数列、数列求和、不等式等问题综合考查.
1.等比数列的定义
一般地,如果一个数列从第二项起,每一项与它的前一项的比都等于同一个常数,那么这个数列叫做等比数列,这个常数叫做等比数列的公比,通常用字母q 表示(q ≠0). 2.等比数列的通项公式
设等比数列{a n }的首项为a 1,公比为q ,则它的通项a n =a 1·q n -
1(a 1≠0,q ≠0).
3.等比中项
如果在a 与b 中插入一个数G ,使得a ,G ,b 成等比数列,那么根据等比数列的定义,G
a =
b
G
,G 2=ab ,G =±ab ,称G 为a ,b 的等比中项. 4.等比数列的常用性质
(1)通项公式的推广:a n =a m ·q n -
m (n ,m ∈N *).
(2)若{a n }为等比数列,且k +l =m +n (k ,l ,m ,n ∈N *),则a k ·a l =a m ·a n .
(3)若{a n },{b n }(项数相同)是等比数列,则{λa n }(λ≠0),⎩⎨⎧⎭
⎬⎫1a n ,{a 2n },{a n ·
b n },⎩⎨⎧⎭
⎬⎫a n b n 仍是等比数列.
5.等比数列的前n 项和公式
等比数列{a n }的公比为q (q ≠0),其前n 项和为S n , 当q =1时,S n =na 1;
当q ≠1时,S n =a 1(1-q n )1-q =a 1-a n q 1-q .
6.等比数列前n 项和的性质
公比不为-1的等比数列{a n }的前n 项和为S n ,则S n ,S 2n -S n ,S 3n -S 2n 仍成等比数列,其公比为q n .
知识拓展
等比数列{a n }的单调性
(1)满足⎩⎪⎨⎪⎧
a 1>0,q >1或⎩⎪⎨⎪⎧ a 1<0,0<q <1时,{a n }是递增数列. (2)满足⎩⎪⎨⎪⎧ a 1>0,0<q <1或⎩⎪⎨⎪
⎧
a 1<0,q >1时,{a n }是递减数列.
(3)当⎩⎪⎨⎪⎧
a 1≠0,
q =1
时,{a n }为常数列.
(4)当q <0时,{a n }为摆动数列.
题组一 思考辨析
1.判断下列结论是否正确(请在括号中打“√”或“×”)
(1)满足a n +1=qa n (n ∈N *,q 为常数)的数列{a n }为等比数列.( × ) (2)G 为a ,b 的等比中项⇔G 2=ab .( × )
(3)如果数列{a n }为等比数列,b n =a 2n -1+a 2n ,则数列{b n }也是等比数列.( × ) (4)如果数列{a n }为等比数列,则数列{ln a n }是等差数列.( × ) (5)数列{a n }的通项公式是a n =a n
,则其前n 项和为S n =a (1-a n )
1-a
.( × )
(6)数列{a n }为等比数列,则S 4,S 8-S 4,S 12-S 8成等比数列.( × ) 题组二 教材改编
2.[P54习题T3(2)]已知{a n }是等比数列,a 2=2,a 5=1
4,则公比q =______.
答案 12
解析 由题意知q 3=a 5a 2=18,∴q =1
2
.
3.[P54习题T5]在9与243中间插入两个数,使它们同这两个数成等比数列,则这两个数为________. 答案 27,81
解析 设该数列的公比为q ,由题意知, 243=9×q 3,q 3=27,∴q =3.
∴插入的两个数分别为9×3=27,27×3=81. 题组三 易错自纠
4.若1,a 1,a 2,4成等差数列,1,b 1,b 2,b 3,4成等比数列,则a 1-a 2
b 2
的值为________.
答案 -1
2
解析 ∵1,a 1,a 2,4成等差数列, ∴3(a 2-a 1)=4-1,∴a 2-a 1=1.
又∵1,b 1,b 2,b 3,4成等比数列,设其公比为q ,则b 22=1×4=4,且b 2=1×q 2
>0,∴b 2=
2,
∴a 1-a 2b 2=-(a 2-a 1)b 2=-12
.
5.设S n 为等比数列{a n }的前n 项和,8a 2+a 5=0,则S 5
S 2=________.
答案 -11
解析 设等比数列{a n }的公比为q , ∵8a 2+a 5=0,∴8a 1q +a 1q 4=0. ∴q 3+8=0,∴q =-2,
∴S 5S 2=a 1(1-q 5
)1-q ·1-q a 1(1-q 2)
=1-q 51-q 2=1-(-2)51-4
=-11. 6.一种专门占据内存的计算机病毒开机时占据内存1 KB ,然后每3分钟自身复制一次,复制后所占内存是原来的2倍,那么开机________分钟,该病毒占据内存64 MB.(1 MB =210 KB) 答案 48
解析 由题意可知,病毒每复制一次所占内存的大小构成一等比数列{a n },且a 1=2,q =2,∴a n =2n ,
则2n =64×210=216,∴n =16. 即病毒共复制了16次. ∴所需时间为16×3=48(分钟).
题型一 等比数列基本量的运算
1.已知等比数列{a n }满足a 1=1
4,a 3a 5=4(a 4-1),则a 2=________.
答案 12
解析 由{a n }为等比数列,得a 3a 5=a 2
4,
又a 3a 5=4(a 4-1),所以a 24=4(a 4-1),
解得a 4=2.设等比数列{a n }的公比为q , 则由a 4=a 1q 3,得2=1
4q 3,解得q =2,
所以a 2=a 1q =1
2
.
2.已知等比数列{a n }的前n 项和为S n ,且a 1+a 3=52,a 2+a 4=54,则S n
a n =________.
答案 2n -1
解析 ∵⎩⎨⎧
a 1+a 3=52
,
a 2
+a 4
=5
4
,∴⎩⎨⎧
a 1+a 1q 2=5
2
, ①
a 1
q +a 1q 3
=5
4
, ②
由①除以②可得1+q 2q +q 3=2,解得q =1
2,代入①得a 1=2, ∴a n =2×⎝⎛⎭⎫12n -1=42n ,
∴S n =2×⎣⎡⎦⎤1-⎝⎛⎭⎫12n 1-12
=4⎝⎛⎭⎫1-12n ,
∴S n a n =4⎝⎛⎭
⎫1-12n 4
2n
=2n -1. 思维升华 等比数列基本量的运算是等比数列中的一类基本问题,数列中有五个量a 1,n ,q ,a n ,S n ,一般可以“知三求二”,通过列方程(组)可迎刃而解. 题型二 等比数列的判定与证明
典例 设数列{a n }的前n 项和为S n ,已知a 1=1,S n +1=4a n +2(n ∈N *). (1)设b n =a n +1-2a n ,证明:数列{b n }是等比数列; (2)求数列{a n }的通项公式. (1)证明 由a 1=1及S n +1=4a n +2, 得a 1+a 2=S 2=4a 1+2. ∴a 2=5,∴b 1=a 2-2a 1=3.
又⎩⎪⎨⎪⎧
S n +1=4a n +2, ①S n =4a n -1
+2(n ≥2), ② 由①-②,得a n +1=4a n -4a n -1(n ≥2), ∴a n +1-2a n =2(a n -2a n -1)(n ≥2). ∵b n =a n +1-2a n ,∴b n =2b n -1(n ≥2), 故{b n }是首项b 1=3,公比为2的等比数列.
(2)解 由(1)知b n =a n +1-2a n =3·2n -
1(n ∈N *),
∴a n +12
n 1-a n 2n =34,
故⎩⎨⎧⎭
⎬⎫a n 2n 是首项为12,公差为3
4的等差数列.
∴a n 2n =12+(n -1)·34=3n -1
4, 故a n =(3n -1)·2n -
2(n ∈N *).
引申探究
若将本例中“S n +1=4a n +2”改为“S n +1=2S n +(n +1)”,其他不变,求数列{a n }的通项公式. 解 由已知得n ≥2时,S n =2S n -1+n . ∴S n +1-S n =2S n -2S n -1+1,∴a n +1=2a n +1, ∴a n +1+1=2(a n +1),n ≥2,(*)
又a 1=1,S 2=a 1+a 2=2a 1+2,即a 2+1=2(a 1+1), ∴当n =1时(*)式也成立,
故{a n +1}是以2为首项,2为公比的等比数列, ∴a n +1=2·2n -
1=2n ,∴a n =2n -1(n ∈N *).
思维升华 (1)证明一个数列为等比数列常用定义法与等比中项法,其他方法只用于填空题中的判定;若证明某数列不是等比数列,则只要证明存在连续三项不成等比数列即可. (2)利用递推关系时要注意对n =1时的情况进行验证. 跟踪训练 已知数列{a n }的前n 项和S n =1+λa n ,其中λ≠0. (1)证明{a n }是等比数列,并求其通项公式; (2)若S 5=31
32
,求λ.
(1)证明 由题意得a 1=S 1=1+λa 1, 故λ≠1,a 1=1
1-λ,a 1≠0.
由S n =1+λa n ,S n +1=1+λa n +1, 两式相减得a n +1=λa n +1-λa n ,
即a n +1(λ-1)=λa n ,由a 1≠0,λ≠0,得a n ≠0, 所以a n +1a n =λλ-1
.
因此{a n }是首项为11-λ,公比为λ
λ-1的等比数列,
于是a n =11-λ⎝⎛⎭
⎫λλ-1n -1
.
(2)解 由(1)得S n =1-⎝⎛⎭
⎫λ
λ-1n .
由S 5=3132,得1-⎝⎛⎭⎫λλ-15=3132,即⎝⎛⎭⎫λλ-15=1
32.
解得λ=-1.
题型三 等比数列性质的应用
1.已知等比数列{a n },且a 6+a 8=4,则a 8(a 4+2a 6+a 8)的值为________. 答案 16
解析 ∵a 6+a 8=4,∴a 8(a 4+2a 6+a 8)=a 8a 4+2a 8a 6+a 28=(a 6+a 8)2
=16.
2.已知数列{a n }是等比数列,S n 为其前n 项和,若a 1+a 2+a 3=4,a 4+a 5+a 6=8,则S 12=________. 答案 60
解析 由等比数列的性质可知,数列S 3,S 6-S 3,S 9-S 6,S 12-S 9是等比数列,即数列4,8,S 9-S 6,S 12-S 9是等比数列,因此S 12=4+8+16+32=60. 思维升华 等比数列常见性质的应用 等比数列性质的应用可以分为三类: (1)通项公式的变形. (2)等比中项的变形. (3)前n 项和公式的变形.
根据题目条件,认真分析,发现具体的变化特征即可找出解决问题的突破口.
分类讨论思想在等比数列中的应用
典例 (16分)已知首项为3
2的等比数列{a n }的前n 项和为S n (n ∈N *),且-2S 2,S 3,4S 4成等差数
列.
(1)求数列{a n }的通项公式; (2)证明:S n +1S n ≤13
6
(n ∈N *).
思想方法指导 (1)利用等差数列的性质求出等比数列的公比,写出通项公式; (2)求出前n 项和,根据函数的单调性证明. 规范解答
(1)解 设等比数列{a n }的公比为q , 因为-2S 2,S 3,4S 4成等差数列,
所以S 3+2S 2=4S 4-S 3,即S 4-S 3=S 2-S 4, 可得2a 4=-a 3,于是q =a 4a 3=-1
2
.[2分]
又a 1=3
2,所以等比数列{a n }的通项公式为
a n =32×⎝⎛⎭⎫-12n -1=(-1)n -1·3
2n (n ∈N *).[5分] (2)证明 由(1)知,S n =1-⎝⎛⎭⎫-1
2n , S n +1
S n
=1-⎝⎛⎭⎫-12n +1
1-⎝⎛⎭
⎫-1
2n
=⎩⎨⎧
2+1
2n (2n
+1),n 为奇数,
2+
1
2n
(2n
-1),n 为偶数.
[8分]
当n 为奇数时,S n +1
S n 随n 的增大而减小,
所以S n +1S n ≤S 1+1S 1=13
6
.[12分]
当n 为偶数时,S n +1
S n 随n 的增大而减小,
所以S n +1S n ≤S 2+1S 2=25
12.[14分]
故对于n ∈N *,有S n +1S n ≤13
6
.[16分]
1.等比数列{a n }的前n 项和为S n ,若S 3=2,S 6=18,则S 10
S 5=________.
答案 33
解析 设等比数列{a n }的公比为q ,则由已知得q ≠1. ∵S 3=2,S 6=18,∴1-q 31-q 6=2
18
,得q 3=8,∴q =2. ∴S 10S 5=1-q 10
1-q
5=1+q 5=33. 2.设公比为q (q >0)的等比数列{a n }的前n 项和为S n .若S 2=3a 2+2,S 4=3a 4+2,则a 1=________. 答案 -1
解析 由S 2=3a 2+2,S 4=3a 4+2,得a 3+a 4=3a 4-3a 2,即q +q 2=3q 2-3,解得q =-1(舍去)或q =32,将q =32代入S 2=3a 2+2中得a 1+32a 1=3×3
2
a 1+2,解得a 1=-1.
3.已知等比数列{a n }中,a 3=2,a 4a 6=16,则a 10-a 12
a 6-a 8的值为________.
答案 4
解析 a 5=±a 4·a 6=±16=±4, ∵q 2=a 5
a 3>0,∴a 5=4,q 2=2,
则a 10-a 12a 6-a 8
=q 4=4. 4.(2017·无锡期末)设公比不为1的等比数列{a n }满足a 1a 2a 3=-1
8,且a 2,a 4,a 3成等差数
列,则数列{a n }的前4项和为________. 答案 58
解析 设{a n }的公比为q ,q ≠1.由等比中项的性质可得a 1a 2a 3=a 32=-18,所以a 2=-1
2.因为a 2,a 4,a 3成等差数列,所以2a 4=a 2+a 3,即2a 2q 2=a 2+a 2q ,化简得2q 2-q -1=0,即(q -1)(2q +1)=0,解得q =1(舍)或q =-12.又因为a 1=a 2
q =1,所以S 4=a 1(1-q 4)1-q
=
1×⎣⎡⎦⎤1-⎝⎛⎭⎫-1241-⎝⎛⎭
⎫-12=5
8. 5.等比数列{a n }的各项均为正数,且a 5a 6+a 4a 7=18,则log 3a 1+log 3a 2+…+log 3a 10=________. 答案 10
解析 由等比数列的性质知a 5a 6=a 4a 7,又a 5a 6+a 4a 7=18,所以a 5a 6=9, 则原式=log 3(a 1a 2…a 10)=log 3(a 5a 6)5=10.
6.中国古代数学著作《算法统宗》中有这样一个问题:“三百七十八里关,初行健步不为难,次日脚痛减一半,六朝才得到其关,要见次日行里数,请公仔细算相还.”其意思为:有一个人走378里路,第一天健步行走,从第二天起脚痛每天走的路程为前一天的一半,走了6天后到达目的地,请问第二天走了________里. 答案 96
解析 设等比数列{a n }的首项为a 1,公比为q =1
2,
由题意得a 1⎝⎛⎭
⎫1-1261-12
=378,
解得a 1=192,则a 2=192×1
2
=96,即第二天走了96里.
7.(2017·江苏)等比数列{a n }的各项均为实数,其前n 项和为S n ,已知S 3=74,S 6=63
4,则a 8
=________. 答案 32
解析 设{a n }的首项为a 1,公比为q ,
则⎩⎪⎨⎪
⎧
a 1(1-q 3)1-q
=7
4,a 1
(1-q 6
)1-q =634,
解得⎩⎪⎨⎪⎧
a 1=14,
q =2,
所以a 8=1
4
×27=25=32.
8.(2014·江苏)在各项均为正数的等比数列{a n }中,若a 2=1,a 8=a 6+2a 4,则a 6的值为________. 答案 4
解析 因为a 8=a 2q 6,a 6=a 2q 4,a 4=a 2q 2,所以由a 8=a 6+2a 4,得a 2q 6=a 2q 4+2a 2q 2,消去a 2q 2,得到关于q 2的一元二次方程(q 2)2-q 2-2=0,解得q 2=2,q 2=-1(舍去),a 6=a 2q 4=1×22=4.
9.已知数列{a n }是递增的等比数列,a 1+a 4=9,a 2a 3=8,则数列{a n }的前n 项和为________. 答案 2n -1
解析 设等比数列的公比为q ,则有⎩⎪⎨⎪⎧
a 1+a 1q 3
=9,
a 21·
q 3=8,
解得⎩⎪⎨⎪
⎧
a 1=1,q =2或⎩
⎪⎨⎪⎧
a 1=8,
q =1
2
.
又{a n }为递增数列,∴⎩
⎪⎨⎪⎧
a 1=1,q =2,
∴数列{a n }的前n 项和为1-2n 1-2
=2n
-1(n ∈N *).
10.已知数列{a n }的前n 项和为S n ,且满足a n +S n =1(n ∈N *),则通项a n =________. 答案
12n
解析 ∵a n +S n =1,① ∴a n -1+S n -1=1(n ≥2),②
由①-②,得a n -a n -1+a n =0,即a n a n -1=1
2(n ≥2),
又a 1=1
2
,
∴数列{a n }是首项为12,公比为1
2的等比数列,
则a n =12×⎝⎛⎭⎫12n -1=1
2
n .
11.已知各项都为正数的数列{a n }满足a 1=1,a 2
n -(2a n +1-1)a n -2a n +1=0(n ∈N *).
(1)求a 2,a 3; (2)求{a n }的通项公式.
解 (1)由题意,得a 2=12,a 3=14.
(2)由a 2n -(2a n +1-1)a n -2a n +1=0,得 2a n +1(a n +1)=a n (a n +1). 因为{a n }的各项都为正数, 所以a n +1≠0,所以a n +1a n =1
2
.
故{a n }是首项为1,公比为1
2的等比数列,
因此a n =1
2
n -1(n ∈N *).
12.已知数列{a n }中,a 1=1,a n ·a n +1=⎝⎛⎭⎫12n
,记T 2n 为{a n }的前2n 项的和,b n =a 2n +a 2n -1,n ∈N *.
(1)判断数列{b n }是否为等比数列,并求出b n ; (2)求T 2n .
解 (1)∵a n ·a n +1=⎝⎛⎭⎫12n ,∴a n +1·a n +2
=⎝⎛⎭⎫12n +1
, ∴a n +2a n =12,即a n +2=1
2a n . ∵b n =a 2n +a 2n -1,
∴b n +1b n =a 2n +2+a 2n +1a 2n +a 2n -1=12a 2n +1
2a 2n -1
a 2n +a 2n -1=1
2, ∵a 1=1,a 1·a 2=12,∴a 2=12,∴b 1=a 1+a 2=32.
∴{b n }是首项为32,公比为1
2的等比数列.
∴b n =32×⎝⎛⎭⎫12n -1=32n (n ∈N *
). (2)由(1)可知,a n +2=1
2
a n ,
∴a 1,a 3,a 5,…是以a 1=1为首项,以12为公比的等比数列;a 2,a 4,a 6,…是以a 2=1
2
为首
项,以12
为公比的等比数列, ∴T 2n =(a 1+a 3+…+a 2n -1)+(a 2+a 4+…+a 2n )=1-⎝⎛⎭⎫12n 1-12+12⎣⎡⎦⎤1-⎝⎛⎭⎫12n 1-12
=3-32n (n ∈N *).
13.(2017·扬州期末)在正项等比数列{a n }中,若a 4+a 3-2a 2-2a 1=6,则a 5+a 6的最小值为________.
答案 48
解析 方法一 由a 4+a 3-2a 2-2a 1=6,得a 1(q +1)·(q 2-2)=6,所以a 1(q +1)=
6q 2-2.因为a n >0,所以q 2-2>0,a 5+a 6=a 1(1+q )q 4=6q 4q 2-2=6×(q 4-4)+4q 2-2
=6×⎣⎡⎦⎤(q 2+2)+4q 2-2=6×⎝⎛⎭⎫q 2-2+4q 2-2+4≥6×⎝ ⎛⎭⎪⎫2(q 2-2)×4q 2
-2+4=6×8=48,当且仅当q 2-2=4q 2-2,即q =2,a 1=1时,等号成立,所以a 5+a 6的最小值为48.
方法二 由a 4+a 3-2a 2-2a 1=6,得(a 2+a 1)(q 2-2)=6,所以a 2+a 1=6q 2-2
.因为a n >0,所以q 2-2>0,即q 2>2,a 5+a 6=(a 1+a 2)q 4
=6q 4q 2-2=61q 2-2q 4.令t =1q 2∈⎝⎛⎭⎫0,12,则1q 2-2q 4=t -2t 2=-2⎝⎛⎭⎫t -142+18,当t =14∈⎝⎛⎭⎫0,12时,式子1q 2-2q 4取得最大值18,从而a 5+a 6=61q 2-2q 4
取得最小值6×8=48.
14.设数列{a n }的前n 项和为S n ,且a 1=1,a n +a n +1=12
n (n =1,2,3,…),则S 2n +3=____________. 答案 43⎝⎛⎭
⎫1-14n +2 解析 由题意,得S 2n +3=a 1+(a 2+a 3)+(a 4+a 5)+…+(a 2n +2+a 2n +3)=1+14+116+…+14
n +1 =43⎝⎛⎭
⎫1-1
4n +2(n ∈N *).
15.已知等比数列{a n }的各项均为正数且公比大于1,前n 项积为T n ,且a 2a 4=a 3,则使得T n >1的n 的最小值为________.
答案 6
解析 ∵{a n }是各项均为正数的等比数列,且a 2a 4=a 3,∴a 23=a 3,∴a 3=1.又∵q >1,
∴a 1<a 2<1,a n >1(n >3),∴T n >T n -1(n ≥4,n ∈N *),T 1<1,T 2=a 1·a 2<1,T 3=a 1·a 2·a 3=a 1a 2=T 2<1,T 4=a 1a 2a 3a 4=a 1<1,T 5=a 1·a 2·a 3·a 4·a 5=a 53=1,T 6=T 5·
a 6=a 6>1,故n 的最小值为6. 16.设S n 为数列{a n }的前n 项和,S n +12n =(-1)n a n (n ∈N *),则数列{S n }的前9项和为________. 答案 -3411 024
解析 因为S n +12n =(-1)n a n , 所以S n -1+12
n -1=(-1)n -1a n -1(n ≥2). 两式相减得S n -S n -1+12n -12
n -1 =(-1)n a n -(-1)n -
1a n -1, 即a n -12n =(-1)n a n +(-1)n a n -1(n ≥2), 当n 为偶数时,a n -12n =a n +a n -1, 即a n -1=-12n ,此时n -1为奇数, 所以若n 为奇数,则a n =-1
2n +1; 当n 为奇数时,a n -12n =-a n -a n -1, 即2a n -12n =-a n -1, 所以a n -1=12
n -1,此时n -1为偶数, 所以若n 为偶数,则a n =12n . 所以数列{a n }的通项公式为a n =⎩⎨⎧ -12n +1,n 为奇数,12n ,n 为偶数.
所以数列{S n }的前9项和为S 1+S 2+S 3+…+S 9=9a 1+8a 2+7a 3+6a 4+…+3a 7+2a 8+a 9=(9a 1+8a 2)+(7a 3+6a 4)+…+(3a 7+2a 8)+a 9
=-122-124-126-128-1210=-122×⎣⎡⎦⎤1-⎝⎛⎭⎫1451-14=-3411 024.。