人教版初中数学-拓展二 数列求和常用的方法(精练)(解析版)
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拓展二 数列求和常用的方法(精练)
【题组一 裂项相消法】
1.(2021·福建省连城县第一中学高二月考)已知数列{}n a ,其前n 项和记为n S ,满足2410a a +=,12n n n a S S ++=-.
(1)求数列{}n a 的通项公式; (2)设1
1
n n n b a a +=
⋅,求数列{}n b 的前n 项和n T .
【答案】(1)21n a n =-;(2)21
n n
T n =
+. 【解析】(1)因为112n n n n S a S a ++-==+, 所以12n n a a +-=,
即{}n a 是等差数列,且公差2d =, 又2412410a a a d +=+=,11a =, 所以12(1)21n a n n =+-=-, 即21n a n =- (2)因为1111
()(21)(21)22121
n b n n n n =
=--+-+,
所以1111
11
(1)2335
2121
n T n n =-+-+
+
--+ 11(1)22121
n
n n =-=++, 即21
n n
T n =
+. 2.(2021·江西上高二中高二月考 )设数列{}n a 前n 项和为n S ,若0n a >,且2
243n n n a a S +=+
(1)求{}n a 的通项公式 (2)设1
1
n n n b a a +=
,求{}n b 前n 项的和n T . 【答案】(1)21n a n =+;(2)69
n n
T n =
+. 【解析】(1)因为0n a >,且2
243n n n a a S +=+ ①
当1n =时,112
320a a --=,得13a =或11a =-(舍);
当2n ≥时,2
111243n n n a a S ---+=+ ②
由①-②得,11()(2)0n n n n a a a a --+--=,
因为0n a >,所以10n n a a ->+,可得12n n a a --=(2)n ≥, 所以{}n a 是以3为首项,公差为2的等差数列, 所以()32121n a n n =+-=+. (2)由(1)中结论得,()()111111212322123n n n b a a n n n n +⎛⎫
=
==- ⎪++++⎝⎭
, 所以12111111123557
2123n n T b b b n n ⎛⎫
=++
+=-+-+
+
- ⎪++⎝⎭
111232369
n n n ⎛⎫=-= ⎪
++⎝⎭. 3.(2021·辽宁阜新·高二期末)在等差数列{}n a 中,n S 是数列{}n a 的前n 项和,已知24a =,420S =. (1)求{}n a 的通项公式;
(2)若______,求数列{}n b 的前n 项和n T .(在①1
4n n n b a a +=;②()1n
n n b a =-⋅两个条件中选择一个补充在第(2)问中,并对其求解,如果多写按第一个计分) 【答案】(1)2n a n =;(2)答案见解析.
【解析】(1)等差数列{}n a 中,n S 是数列{}n a 的前n 项和,已知24a =,420S =. 设首项为1a ,公差为d ,
所以114
43
4202a d a d +=⎧⎪
⎨⨯+=⎪⎩,解得122a d =⎧⎨=⎩,故2n a n =. (2)由(1)得: 选条件①时,()14411411
n n n b a a n n n n +===-++, 故1111
111
...
1
2231
1
1
n n T n
n n n ;
选条件②时,()()112n
n
n n b a n =-⋅=-⋅,
当n 为偶数时,()()()2468 (21222)
n n
T n n n =-++-+++--+=
⋅=⎡⎤⎣⎦; 当n 为奇数时,()()()()()2468...22212121n T n n n n n n =-++-+++--+--=--=--⎡⎤⎣⎦,
所以()(),1,n n n T n n ⎧⎪=⎨--⎪⎩
为偶数为奇数. 4.(2021·全国高二单元测试)已知等比数列{}n a 的各项均为正数,且2a 1+3a 2=1,a 32=9a 2a 6,等差数列{}n b 满足b 2=5,b 6+b 8=30.
(Ⅰ)求数列{}{},n n a b 的通项公式;
(Ⅱ)求数列12n n b b +⎧⎫
⎨⎬⋅⎩⎭
的前n 项和n S .
【答案】(Ⅰ)1,213n
n n a b n ⎛⎫==+ ⎪⎝⎭
;(Ⅱ)23(23)n n S n =+. 【解析】(Ⅰ)依题意()
11225
11111231
911330
n n a a q a q a q a q a q a a q +=⎧⎪=⋅⎪⎛⎫
⇒==⇒=⎨
⎪⎝⎭>⎪⎪
>⎩. 111
153
2157302n b d b b n b d b d d +==⎧⎧⇒⇒=+⎨⎨
+++==⎩⎩ (Ⅱ)
()()12211
21232123
n n b b n n n n +==-⋅++++,
()
2111111122132332313557
3n S n
n n n n -+=-+-+
+
-==+++. 5.(2021·全国高二专题练习)已知正项等差数列{a n }的前n 项和为S n ,且满足2
15327
a a a +=,S 7=63.
(1)求数列{a n }的通项公式;
(2)若数列{b n }满足b 1=a 1,b n +1-b n =a n +1,求数列1n b ⎧⎫
⎨⎬⎩⎭
的前n 项和T n .
【答案】(1)a n =2n +1;(2)3111
(
)4212
n n -+++ 【解析】(1)设正项等差数列{a n }的首项为a 1,公差为d ,a n >0,
则2
111124(2),
772163,a a d a d a d ⎧++=+⎪⎨⎪+=⎩解得13,2.a d =⎧⎨=⎩
∴a n =3+(n -1)×2=2n +1. (2)∵b n +1-b n =a n +1,且a n =2n +1, ∴b n +1-b n =2n +3.
当n ≥2时,b n =(b n -b n -1)+(b n -1-b n -2)+…+(b 2-b 1)+b 1 =(2n +1)+(2n -1)+…+5+3=n (n +2), 当n =1时,b 1=3满足上式,b n =n (n +2). ∴
11111
()(2)22
n b n n n n ==-++ ∴T n =
1211111...n n
b b b b -++++ 1111111111[(1)()+()...()()]232435112n n n n =-+--++-+--++ 11113111[1]()22124212
n n n n =+--=-+++++ 6.(2021·河南信阳高中高二月考)已知各项均为正数的等差数列{}n a 的公差为4,其前n 项和为,n S 且22a 为23,S S 的等比中项 (1)求{}n a 的通项公式; (2)设1
4
n n n b a a +=
,求数列{}n b 的前n 项和n T ; (3)求证:11
32
n T ≤<.
【答案】(1)42n a n =-;(2)
21
n
n +;(3)证明见解析. 【解析】(1)因为数列{}n a 是公差为4的等差数列, 所以()()212131132
4,22,34342
a a S a S a a ⨯=+=+=+
⨯=+. 又2
2234a S S =,所以()()()2
11144624a a a +=++,即()()11420+-=a a ,
解得12a =或14a =-(舍去),所以24(1)42n a n n =+-=-. (2)因为14411
(42)(42)4242
n n n b a a n n n n +=
==--+-+, 所以121n n n T b b b b -=++
++
1111111126610
46424242n n n n =
-+-++
-+----+11242n =-+21
n
n =+.
(3)121n n n T b b b b -=++++11242
n =
-+, 121n n n T b b b b -=++
++单调递增,
n =1时,121n n n T b b b b -=++
++最小为1
3
,
因为
1
042n >+,所以1112422
n -<+ 所以1132
n T ≤<.
【题组二 错位相减法】
1.(2021·辽宁阜新·高二期末)已知数列{}n a 的前n 项和为n S ,且满足32n n S a =-. (1)求证:{}n a 是等比数列; (2)求数列{}n na 的前n 项和n T .
【答案】(1)证明见解析;(2)()29933n
n T n ⎛⎫=-+⋅ ⎪⎝⎭
.
【解析】(1)证明:数列{}n a 的前n 项和为n S ,且满足32n n S a =-,①, 当1n =时,整理得:11a =; 当2n ≥时,1132n n S a --=-,②, ①-②得:122n n n a a a -=-+, 整理得:
12
3
n n a a -=(常数), 故数列{}n a 是以1为首项,2
3
为公比的等比数列;
(2)由(1)得:1
23n n a -⎛⎫
= ⎪
⎝⎭.
所以1
23n n n b na n -⎛⎫
==⋅ ⎪
⎝⎭
,
所以0
11
22212...333n n T n -⎛⎫⎛⎫⎛⎫
=⨯+⨯++⋅ ⎪ ⎪ ⎪
⎝⎭⎝⎭⎝⎭
①,
1
2
222212...3333n
n T n ⎛⎫⎛⎫⎛⎫
=⨯+⨯++⋅ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎝⎭
②, ①-②得:112221...3333n n
n T n -⎡⎤⎛⎫⎛⎫
=+++-⋅⎢⎥ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎢⎥⎣⎦
,
所以:2112323313
n
n
n T n ⎛⎫- ⎪⎛⎫⎝⎭=-⋅ ⎪⎝⎭-,
整理得:()29933n
n T n ⎛⎫
=-+⋅ ⎪⎝⎭.
故:()29933n
n T n ⎛⎫
=-+⋅ ⎪⎝⎭
.
2.(2021·全国高二课时练习)已知等比数列{a n }满足:a 1=1
2,a 1,a 2,a 3-18
成等差数列,公比q ∈(0,
1).
(1)求数列{a n }的通项公式;
(2)设b n =na n ,求数列{b n }的前n 项和S n . 【答案】(1) a n =
12n ;(2) S n =2-(n +2)12⎛⎫
⎪⎝⎭
. 【解析】(1)设等比数列{a n }的公比为q ,a 1=1
2,
因为a 1,a 2,a 3-1
8成等差数列,
所以2a 2=a 1+a 3-1
8
,
即得4q 2
-8q +3=0,
解得q =1
2或q =32
,
又因为q ∈(0,1), 所以q =1
2,
所以a n =1
111222n n
-⎛⎫
⋅=
⎪
⎝⎭
. (2)根据题意得b n =na n =2n
n
, 23123 (2222)
n n n
S =
++++ ① 23411123 (22222)
n n n
S +=++++ ② 两式相减得:2
3411
1111 (222222)
n n n
S +=+
+++-,
1111221212
n n n +⎛⎫- ⎪⎝⎭=--,
()
1
1
122n n +=-+, 所以()
1222n n
S n =-+. 3.(2021·全国高二专题练习)已知{a n }是递增的等差数列,a 2,a 4是方程x 2-5x +6=0的根. (1)求{a n }的通项公式;
(2)若数列2n n a ⎧⎫
⎨⎬⎩⎭
的前n 项和为S n ,求证:S n <2.
【答案】(1)a n =1
2n +1;(2)证明见解析.
【解析】(1)方程x 2
-5x +6=0的两根为2,3,因为{a n }是递增的等差数列, 所以a 2=2,a 4=3.
设数列{a n }的公差为d ,则a 4-a 2=2d ,
故d =1
2,从而a 1=32
.
所以{a n }的通项公式为a n =1
2n +1.
(2)证明:设2n n a ⎧⎫
⎨⎬⎩⎭
的前n 项和为S n ,由(1)知2n n a =122n n ++,
则S n =23
2+342
+…+12n n ++122n n ++,
1
2S n =332+442+…+112n n +++222
n n ++. 两式相减得1
2S n =34+341
111()22
2n +++
+
-222n n ++=3
4+111142n -⎛⎫- ⎪⎝⎭-222n n ++. 所以S n =2-1
42n n ++. 因为
1
4
02n n ++>, 所以S n <2.
4.(2021·全国高二专题练习)数列{a n }满足a 1=1,na n +1=(n +1)a n +n (n +1),n ∈N *
. (1)证明:数列n a n ⎧⎫
⎨⎬⎩⎭
是等差数列;
(2)设b n =3n ,求数列{b n }的前n 项和S n .
【答案】(1)证明见解析;(2)S n =1(21)33
4
n n +-⨯+.
【解析】(1)证明:由已知可得
11n a n ++=n a n +1,即11
n a n ++-n a
n =1. 所以n a n ⎧⎫
⎨⎬⎩⎭
是以1为首项,1为公差的等差数列.
(2)由(1)得,n
a n
=1+(n -1)×1=n ,所以a n =n 2. 从而b n =n ×3n .
S n =1×31+2×32+3×33+…+n ×3n ,①
3S n =1×32+2×33+…+(n -1)×3n +n ×3n +1.② ①-②得-2S n =31+32+…+3n -n ×3n +1, =
3(13)13
⨯---n ×3n +1
=1(12)332n n +-⨯-.
所以S n =1(21)33
4
n n +-⨯+.
5.(2021·全国高二专题练习)已知数列{a n }的前n 项和为S n ,且S n =2a n 1-. (1)证明:数列{a n }是等比数列;
(2)设b n =(2n 1-)a n ,求数列{b n }的前n 项和T n . 【答案】(1)证明见解析;(2)T n =(2n 3-)×2n +3. 【解析】(1)证明:当n =1时,a 1=S 1=2a 11-,所以a 1=1, 当n ≥2时,a n =S n -S n -1=(2a n -1)-(2a n -1-1), 所以a n =2a n -1,
所以数列{a n }是以1为首项,2为公比的等比数列. (2)由(1)知,a n =2n -1, 所以b n =(2n -1)×2n -1,
所以T n =1+3×2+5×22+…+(2n -3)×2n -2+(2n -1)×2n -1,① 2T n =1×2+3×22
+
+(2n -3)×2
n -1
+(2n -1)×2n
,② ①-②,得-T n =1+2×(21
+22
++2
n -1
)-(2n -1)×2n
=1+2×122212n --⨯--(2n -1)×2n
=(3-2n )×2n -3, 所以T n =(2n -3)×2n +3.
6.(2021·全国高二专题练习)设数列{a n }的前n 项和为S n ,且231n n S a =-.
(1)求数列{a n }的通项公式; (2)设b n =
n
n
a ,求数列{
b n }的前n 项和T n . 【答案】(1)a n =3n -1
;(2)T n =969443n
n +-⨯.
【解析】(1)由231n n S a =-,① 得11231n n S a --=-(n ≥2),② ①-②,得1233n n n a a a -=-,∴13(2)n n a a n
,
又1112312S a a =-=,∴a 1=1,
∴{a n }是首项为1,公比为3的等比数列, ∴a n =3n -1
.
(2)由(1)得,b n =1
3n n
-, ∴T n =
0121
123···3333n n -++++, 1
3T n =123123·
··3333
n n ++++, 两式相减,得23T n =01211111·
··33333
n n n
-++++- 1
13233=1322313n n n n n -
+-=-⨯-
, ∴T n =969443n
n +-⨯.
【题组三 分组求和法】
1.(2021·全国高二专题练习)数列{}(1)n
n -⋅的前n 项和为n S ,则2020S =( )
A .1010
B .-1010
C .2020
D .-2020
【答案】A
【解析】由题意,数列{}(1)n
n -⋅,即(1)n n
a n ,
则()()()2020123420192020123420192020S =-+-+--+=-++-+++-+
2020
110102
=⨯
=. 故选:A.
2.(2021·全国高二专题练习)设
cos
cos(30)
n
n
a
n
=
-
,n S为数列的前n项和,求59
S
的值是()A B.0 C.59 D.
59
2
【答案】A
【解析】令()
59
cos1cos2cos59
cos29cos28cos29
S
︒︒︒
=++⋯+
︒︒-︒①
则()()
59
cos59cos58cos1
cos29cos28cos29
S
︒︒︒
=++⋯+
-︒-︒︒②
①+②可得:
59
cos1cos59cos2cos58cos1cos59
2
cos29cos28cos29
S
︒+︒︒+︒︒+︒
=++⋯+
︒︒︒
,
(
)
(
)
1
cos1cos1
cos1cos601
cos1cos59
cos
29cos301
︒+︒+
︒
︒+︒-︒
︒+︒
===
︒︒-︒59
2S
∴=
59
S
∴=
故选:A
3.(2021·全国)已知数列{a n}满足:a1=1,a n+1=2a n+n-2(n∈N*).
(1)求证:数列{a n+n-1}是等比数列;
(2)求数列{a n}的前n项和S n.
【答案】(1)首项为1,公比为2的等比数列;(2)2n-
22
2
n n
-+
.
【解析】(1)由已知得1222
n n
a n a n
+
+=+-,
1
1110
a+-=≠,所以1
1
n
n
a n
a n
+
+
+-
=2,
所以数列{a n+n-1}是首项为1,公比为2的等比数列.
(2)由(1)知:a n+n-1=2n-1,
a n=2n-1+1-n,
S n=a1+a2+…+a n=(1+2+…+2n-1)-(1+2+…+n-1)
S n=(2n-1)-1
2
(n2-n)=2n-
22
2
n n
-+
.
4(2021·全国高二专题练习)求和:1357(1)(21)
n
n
S n
=-+-+-+--.
【答案】(1)n n
-⋅
【解析】由题意知1357(1)(21)
n
n
S n
=-+-+-+--,
当n 为偶数时,
可得()()
1357[(23)(21)]2
2
n
n
S n n n
=-++-+-+-++-=⨯=;
当n为奇数时,1
n-为偶数,
可得()()1(1)(21)1357[(25)(23)](1)(21)
n
n n S S n n n n -=+--=-++-+-
+-++---⨯-1
2(21)2
n n n -=
⨯--=- 综上可得,(1)n
n S n =-⋅.
5.(2021·全国高二专题练习)在等差数列{a n }中,a 2+a 7=-23,a 3+a 8=-29. (1)求数列{a n }的通项公式;
(2)设数列{a n +b n }是首项为1,公比为q 的等比数列,求{b n }的前n 项和S n .
【答案】(1)见解析;(2)当q =1时,S n =(31)2n n -+n =232
n n +;当q ≠1时,S n =(31)2n n -+11n q q --.
【解析】(1)设等差数列{a n }的公差是d . ∵a 3+a 8-(a 2+a 7)=2d =-6,∴d =-3, ∴a 2+a 7=2a 1+7d =-23,解得a 1=-1, ∴数列{a n }的通项公式为a n =-3n +2.
(2)∵数列{a n +b n }是首项为1,公比为q 的等比数列, ∴a n +b n =q n -1,即-3n +2+b n =q n -1, ∴b n =3n -2+q n -1,
∴S n =[1+4+7+…+(3n -2)]+(1+q +q 2+…+q n -1) =
(31)2
n n -+(1+q +q 2+…+q n -1
), 故当q =1时,S n =(31)2n n -+n =232n n
+;
当q ≠1时,S n =(31)2
n n -+11n
q q --.
6.(2021·全国高二专题练习)各项均为正数的等比数列{a n },a 1=1,a 2a 4=16,数列{b n }的前n 项和为S n ,
且S n =232
n n
+(n ∈N +).
(1)求数列{a n },{b n }的通项公式;
(2)若c n =a n +b n ,求数列{c n }的前n 项和T n . 【答案】(1) a n =2n -1,b n =3n -1;(2)2n -1+(31)
2
n n +. 【解析】(1)设公比为q ,∵a 1=1,a 2a 4=16, ∴q 4=16,∵q >0,∴q =2,∴a n =2n -1,
∵S n =232
n n +,
∴当n ≥2时,b n =S n -S n -1=232n n +-23(1)(1)
2n n -+-=3n -1
当n =1时,b 1=S 1=2满足上式,∴b n =3n -1; (2)c n =a n +b n =2n -1+3n -1 ∴T n =c 1+c 2+…+c n =(20
+21
+…+2
n -1
)+(2+5+…+3n -1)
=1212
n
--+
[]2(31)2n n +-=2n -1+(31)2n n +. 7.(2021·全国高二课时练习)已知等比数列{}n a 中,1232a a a +=,且1a ,2a ,31a -成等差数列. (1)求数列{}n a 的通项公式n a ;
(2)当数列{}n a 为正项数列时,若数列{}n b 满足()
*
21n n b n a n N =-+∈,求数列{}n b 的前n 项和n S .
【答案】(1)()1
114
n n a -=⨯-或12n n
a ;(2) 221n n +-.
【解析】(1)记{}n a 的公比为q ,
由1232a a a +=,得22q q +=,解得1q =-或2.
又由()13212a a a +-=,得2
11112a a q a q +-=,
解得()
12
1
1a q =
-.
当1q =-时,11
4a =,此时()1114
n n a -=⨯-;
当2q
时,11a =,此时12n n a .
综上,数列{}n a 的通项公式()1
114
n n a -=⨯-或12n n
a .
(2)由已知,得12n n a ,则1212n n b n -=-+,
所以()()2
1135211222n n S n -=+++
+-++++
+⎡⎤⎣⎦
()2
21211221212n n n n +--=+=+--.
【题组四 倒序相加法】
1(2021·全国高二课时练习)设函数()2
21
x f x =
+,利用课本(苏教版必修5)中推导等差数列前n 项和的方法,求得()()()()()54045f f f f f -+-+⋅⋅⋅++⋅⋅⋅++的值为( )
A .9
B .11
C .92
D .
112
【答案】B
【解析】()221
x f x =+,()()()
22222212121221x x x x x x f x f x --⋅∴+-=+=+++++()
2122222211221x x x x x +⋅=+==+++, 设()()()()()54045S f f f f f =-+-+⋅⋅⋅++⋅⋅⋅++, 则()()()()()54045S f f f f f =++
+++-+-,
两式相加得()()2115511222S f f ⎡⎤=⨯+-=⨯=⎣⎦,因此,11S =. 故选:B.
2.(2021·全国高二课时练习)已知函数()1e e x
x f x =+,数列{}n a 为等比数列,0n a >,1831a =,则
()()()()123365ln ln ln ln f a f a f a f a ++++=______.
【答案】
365
2
【解析】∵()e e 1x
x f x =+,
∴()()e e e e 1)e (e 1)2e e 1e 1e 1(e 1)(e (e 1)2e x x x x x x x x
x
x x x x x f x f x -------++++++-=+===++++++. ∵数列{}n a 是等比数列,∴2
136523641831a a a a a ====,
∴2
136523643651183ln ln ln ln ln ln ln 0a a a a a a a +=+==+==.
设()()()36512365ln ln ln S f a f a f a =++
+,① 则()()()3653653641ln ln ln S f a f a f a =+++,②
①+②,得
()()()()()()()()()3651365236436512ln ln ln ln ln ln S f a f a f a f a f a f a =++++++365=,
∴365365
2S =
. 故答案为:365
2
3.(2021·全国)已知函数()331x
x f x =+,()x R ∈,正项等比数列{}n a 满足501a =,则
()()()1299f lna f lna f lna ++⋯+等于______.
【答案】
992
【解析】因为3()31x x f x =+,所以33()()13131x x
x x f x f x --+-=+=++.因为数列{}n a 是等比数列,所以
2
1992984951501a a a a a a a ==
===,即1992984951ln ln ln ln ln ln 0a a a a a a +=+=
=+=.设
9912399(ln )(ln )(ln )(ln )S f a f a f a f a =++++ ①,又99999897(ln )(ln )(ln )=++S f a f a f a +…+1(ln )f a ②,
①+②,得99299=S ,所以9999
2
=
S . 4(2021·全国高二课时练习)设()
f x ,利用课本中推导等差数列前n 项和的公式的方法,可求
得12019f ⎛⎫ ⎪⎝⎭
22019f
⎛⎫
+ ⎪⎝⎭
2017201820192019f f ⎛⎫
⎛⎫++= ⎪ ⎪⎝⎭
⎝⎭
_________.
【解析】
()
f x =
∴
(1)x x
f x -===
因此()(1)
x x
f x f x +-
== 所以12019f ⎛⎫ ⎪⎝⎭22019f ⎛⎫+ ⎪⎝⎭2017201820192019f f ⎛⎫⎛⎫
++
⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭ 12018201920192019202201197f f f f
⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫++++ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭=⎝⎭⎝⎭
=
5.(2021·全国高二专题练习)函数f (x )=
1
42
x +(x ∈R ),若x 1+x 2=1,则f (x 1)+f (x 2)=______,若n ∈N *
,则f (1n )+f (2n )+…+f (1n n -)+f (n n
)=__________.
【答案】1
2 4n -112
【解析】函数1
()()42x
f x x R =
∈+, 1
11
()42x f x ∴=+,1(1)6
f =,
又121x x +=,211x x =-,
12(1)
1()4
2
x f x -∴=
+
1111111
12(1)1124241
()()24242244424424
x x x x x x x f x f x -++=+=+==+++++; 由题得n S =121()()()()n n
f f f f n n n n
-++⋯++ 所以n S =12
21(
)()()()()n n n f f f f f n n
n n n
--+++++
两式相加得11
(1)226
n S n =-⨯+⨯,
所以111
226n n S -=
+ 所以1
412
n n S =-
. 故答案为:1
2;1
412
n -
.。