2020版高考文科数学大一轮复习人教A版文档:6.3 等比数列及其前n项和 Word版含答案.docx
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。
§6.3 等比数列及其前n 项和
1.等比数列的定义
一般地,如果一个数列从第2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.[P51例3]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.[P54A 组T8]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 2
b 2=-(a 2-a 1)b 2=-1
2
. 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.(2018·开封质检)已知等比数列{a n }满足a 1=14
,a 3a 5=4(a 4-1),则a 2等于( )
A .2
B .1 C.12 D.1
8
答案 C
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
.故选C.
2.(2018届河北衡水中学二调)设正项等比数列{a n }的前n 项和为S n ,且a n +1
a n <1,若a 3+a 5=
20,a 3a 5=64,则S 4等于( ) A .63或120 B .256 C .120 D .63
答案 C
解析 由题意得⎩⎪⎨⎪
⎧
a 3+a 5=20,a 3a 5=64,
解得⎩⎪⎨⎪⎧ a 3=16,a 5=4或⎩⎪⎨⎪⎧
a 3=4,
a 5=16.
又a n +1
a n <1,所以数列{a n }为递减数列,故⎩⎪⎨⎪⎧
a 3=16,a 5
=4. 设等比数列{a n }的公比为q ,则q 2=a 5a 3=14,
因为数列为正项数列,故q =1
2
,从而a 1=64,
所以S 4=64×⎣⎡⎦
⎤1-⎝⎛⎭⎫1241-
12
=120.故选C.
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 (2018·潍坊质检)设数列{a n }的前n 项和为S n ,已知a 1=1,S n +1=4a n +2. (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,
∴
a n +12n +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.
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,以2为公比的等比数列, ∴a n +1=2·2n -
1=2n ,∴a n =2n -1.
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,其他方法只用于选择题、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 (2016·全国Ⅲ)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,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-⎝⎛⎭
⎫λλ-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.已知数列{a n }为等比数列,且a 2a 3a 4=-a 27=-64,则tan ⎝⎛⎭
⎫a 4a 63·π等于( ) A. 3 B .- 3 C .-
33
D .±3
答案 B
解析 由等比数列的性质可得a 2a 3a 4=a 3
3=-64,
∴a 3=-4,a 7=a 3q 4<0,结合a 27=64可得a 7=-8, 结合等比数列的性质可得a 4a 6=a 3a 7=32, 即tan ⎝⎛⎭⎫a 4a 63·π=tan 32
3π =tan ⎝⎛⎭⎫10π+23π=tan 2
3π=- 3. 故选B.
2.(2017·云南省十一校跨区调研)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等于( ) A .40 B .60 C .32 D .50
答案 B
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,故选B. 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 (12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 *).[3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.
[6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=32+23=13
6.[8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=34+43=25
12.[10分]
故对于n ∈N *,有S n +1S n ≤13
6
.[12分]
1.(2017·福建漳州八校联考)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
等于( ) A .-3 B .5 C .-31 D .33
答案 D
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=218
,得q 3=8,∴q =2. ∴S 10S 5=1-q 10
1-q
5=1+q 5=33,故选D. 2.(2017·武汉市武昌区调研)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等于( ) A .-2 B .-1 C.12 D.2
3
答案 B
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
2a 1+2,解得a 1=-1,故选B.
3.(2018届河南洛阳联考)在等比数列{a n }中,a 2,a 16是方程x 2+6x +2=0的根,则a 2a 16
a 9的
值为( ) A .-2+22
B .- 2 C. 2 D .-2或 2
答案 D
解析 由a 2,a 16是方程x 2+6x +2=0的根,可得a 2+a 16=-6,a 2×a 16=2,显然两根同为负值,a 21q 16=2,即有a 2
9=2,则a 2a 16a 9
的值为a 9=±2.故选D. 4.(2017·安阳一中模拟)已知数列{a n }的前n 项和S n =3n -2,n ∈N *,则( )
A .{a n }是递增的等比数列
B .{a n }是递增数列,但不是等比数列
C .{a n }是递减的等比数列
D .{a n }不是等比数列,也不单调 答案 B
解析 ∵S n =3n -2,∴S n -1=3n -
1-2,∴a n =S n -S n -1=3n -2-(3n -
1-2)=2×3n -
1(n ≥2),当
n =1时,a 1=S 1=1不适合上式.∴a n =⎩⎪⎨⎪⎧
1,n =1,2×3n -1,n ≥2.
∵a 1=1,a 2=6,当n ≥2时,a n +1
a n =2·3n
2·3n -1=3.∴数列{a n }从第二项起构成首项为6,公比为3的等比数列.综上可得,数列{a n }是递增数列,但不是等比数列.
5.(2017·广元模拟)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等于( ) A .5 B .9 C .log 345 D .10
答案 D
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.(2018·南京质检)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( ) A .192里 B .96里 C .48里 D .24里 答案 B
解析 设等比数列{a n }的首项为a 1,公比为q =12,
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,故选B.
7.已知{a n }是各项都为正数的等比数列,其前n 项和为S n ,且S 2=3,S 4=15,则a 3=________. 答案 4
解析 S 4-S 2=a 3+a 4=12,S 2=a 1+a 2=3,
∴
a 3+a 4a 1+a 2
=q 2=12
3=4,q =2或q =-2(舍去),
∴a 3+a 4=a 3(1+q )=3a 3=12,a 3=4.
8.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的值是________. 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.
10.(2018·无锡模拟)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
1
2n
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.(2016·全国Ⅲ)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.
(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 =12
. 故{a n }是首项为1,公比为12
的等比数列, 因此a n =12
n -1. 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=12
a n . ∵
b n =a 2n +a 2n -1,
∴b n +1b n =a 2n +2+a 2n +1a 2n +a 2n -1=12a 2n +12a 2n -1a 2n +a 2n -1=12
, ∵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12
的等比数列. ∴b n =32×⎝⎛⎭⎫12n -1=32n . (2)由(1)可知,a n +2=12
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=12
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 .
13.(2017·新乡三模)若数列{a n +1-a n }是等比数列,且a 1=1,a 2=2,a 3=5,则a n =________.
答案 3n -
1+12 解析 ∵a 2-a 1=1,a 3-a 2=3,∴q =3,
∴a n +1-a n =3n -1,∴a n -a 1=a 2-a 1+a 3-a 2+…+a n -1-a n -2+a n -a n -1=1+3+…+3n -2=1-3n -
1
1-3, ∵a 1=1,∴a n =3n -
1+12. 14.设数列{a n }的前n 项和为S n ,且a 1=1,a n +a n +1=12n (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⎝⎛⎭
⎫1-14n +2.
15.(2018届江苏横林高级中学考试)设{a n }是等比数列,公比q =2,S n 为{a n }的前n 项和,
记T n =17S n -S 2n a n +1
,n ∈N *,设0n T 为数列{T n }的最大项,则n 0=________. 答案 4
解析 由等比数列的前n 项和公式得S n =a 1(1-q n )1-q
, 则T n =17S n -S 2n a n +1
=17×a 1(1-q n )1-q -a 1(1-q 2n )1-q a 1q n
=17-17(2)n -[1-(2)2n ](1-2)(2)n
, 令(2)n =t ,则T n =11-2⎝
⎛⎭⎫t +16t -17 ≤11-2⎝⎛⎭
⎫2t ·16t -17, 当且仅当t =16t
,即t =4时等号成立,
即(2)n =4,n =4时,T n 取得最大值.
16.(2017·武汉市武昌区调研)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 =-12
n +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.。