递推数列通项公式的几种特殊求法
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解 特征方程为
c1 = - 5, c 2 = 2, c3 = 例2 分析 归方程,
1 3 1 3 - i , c 4 = - + i , 即可求出 an 的表达式。 2 2 2 2 1 已知 a = 1, b = 0, !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! = 2 a n + b n , b n + 1 = 3 a n + 2 b n , 求 {an}, {bn}的通项公式。 a n +1 1 1 3
au + b (c ¹ 0, ad - bc ¹ 0) , {un}满足递推关系 un=f( un- 1) ( n>1 ) , 初值条件 cu + d x1≠f(x1)。 un - p u -p a - pc ( 这里 !!!!!!!!!! ! = k × n -1 ⑴ 若 f 有两个相异不动点 p,q , 则 k= un - q u n -1 - q a - qc
2006 年 2 月
第 12 卷第 1 期
安庆师范学院学报 (
自然科学版 )
Feb.2006 Vol.12 No.1
J ourna l of Anqing Te a che rs Colle ge ( Na tura l S cie nce Edition )
递推数列通项公式的几种特殊求法
俞宏毓 1, 高峰
!
an = ()*’!!!!!
2 n +1 + ( - 1) n . 2 n + ( - 1) n -1
n an +1 = n ! !"!" a1 > 0, a1 ¹ 1 !"!!!!!!!!!!!!!!!!"#$% {a n }!"#$! 2
x1 = - 1 , x 2 = 1, x 3 =!!!! i, x 4 = -!!! x 3 =!!!!!!"( i = x "#$%&’!! !!!!! ! ! ! ! !!!!! !!!! !!!!!! !!!!!!!!! !!!!! 2
2
( 1! 华 中 师 范 大 学 数 学 与 统 计 学 院 , 湖 北 武 汉 430079 ; 2. 浙 江 省 奉 化 市 波 导 股 份 有 限 公 司 研 究 院 , 浙 江 奉 化 315500 )
摘 要: 数列的通项公式是研究、 探讨数列问题的重要渠道。递推数列是各类数学竞赛的热点之一。本 文通过实例介绍递推数列通向公式的几种特殊求法。 关键词: 递推数列; 通向公式; 特征根法; 数学归纳法; 不动点法; 母函数法 中 国 分 类 号 : G633 文献标识码: A 文 章 编 号 : 1007- 4260( 2006 ) 01- 0046- 03
定理 4 设
f (u ) =
・ 48 ・
安庆师范学院学报 ( 自然科学版 )
2006 年
⑵ 若 f 只有唯一不动点 p , 则
1 1 2c = + k !!!!!!!! ! ( 这里 k = u n - p u n -1 - p a+d
2 an 2 ( x + 2) f ( x ) = x !"#$% p = 2, q = -1 !"#! !!!"#$%&’"!!!!!!!!!!!!!!!!!!!"#$% f ( x) = 1 + = x x an - 2 1 a -2 1 a +1 - 2 a n + 2 - 2 a n 1 a -2 = ( - ) n -1 1 = (- )n , !! n ! ! != ! ! ! ! ! ! = !! !× !n ! ! ( n "! ! #$%&’!!! 1). an +1 2 a1 + 1 2 a n +1 + 1 an + 2 + an 2 an + 1 a n +1 = 1 + ( n1)#$ a n !! ! "#! {a n }!" a1 = 1 !"!!!!!!!!!!!!"!
n n
u 0 = 2 ! u1 =
5 2 ! u n +1 = u n (u n -1 - 2) - u1 ( n≥ 1) 2
[u n ] = 2
分析
[x]表示不超过 x 的最大整数 ) ( 第 18 届 IMO 第 6 题 , 1976 年 )
此题递推关系较复杂 , 结论又未给出 un 的表达式 , 不妨通过归纳法探索 un 的表达式。
例 1 已知 a1=a2=0 , a3=- 2 , a4=2 , an+4=2an+3- 2an+2+2an+1- an( n≥1 ) , 求 {an}的通项公式。
x 4 = 2 x 3 - 2 x 2 + 2 x - 1, 它的根为 x1=x2=1( 重根 ) , x3=i , x4=- i , 故通项公式为 an = c1 + c2 n + c3i n + c4 ( -i ) n .。由初值条件列出线性方程组 , 解得待定系数 :
收稿日期 : 2005- 10- 13 作者简介 : 俞 宏 毓( 1977- ) , 女 , 安 徽 宁 国 人 , 华 中 师 范 大 学 硕 士 研 究 生 , 专 业 方 向 为 数 学 课 程 与 教 学 论 。
第1期 定理 2
俞宏毓 1, 高峰 2: 递推数列通项公式的几种特殊求法 若特征方程 ( 2 ) 有 k 重根 λ , 则对应递归方程 (1)所确定的数列 {an}的通项公式为
x4 + 6x2 +1 4 x ( x + 1)
a 4 + 6a 2 + 1 4a n ( a n + 1)
3Байду номын сангаас3
3 3
a n +1 + 1 a +1 4 ( a + 1) 4 + ( a1 - 1) 4 an = 1 . ) , =( n p = 1, q = -1 !"#$%&!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!"#$%&’! ( a1 + 1) 4 - ( a1 - 1) 4 a n +1 - 1 an - 1
1 an = (3n-1 + 1), 2
2
例3 数学归纳法
bn = 3a n +1 - 6 a n =
3 n -1 (3 - 1). 2
求证 : 对任意自然数 n ,
对于非线性递推数列 , 可以先用不完全归纳法猜测通项公式或求和公式 , 再用数学归纳法证明。 数列 {un}定义为 :
2 -( -1) ( 3
程相应的代数方程
(1)
其中 n∈N , λ 为 k 阶线性递归数列 , (1)称为 {an}的递归方程。 与递归方 1, λ 2, … λ k 是常数 , λ k≠ 0 , 则称 {an}
x k = l1 x k -1 + l2 x k - 2 + L + lk (lk ¹ 0)
(2)
称为 k 阶线性递归数列 {an}的特征方程。 利用特征根法求线性递归数列通项的依据是如下两个定理 , 这里略去定理的证明。 定理 1 若特征方程 ( 2 ) 有 k 个相异根 x1,x2, … xk, 则对应递归方程 (1)确定的数列 {an}的通项公式为
un = 2
时 , un=2 +2
f(n) - f(n)
2 -( -1) 3
n
+2
-
问题转化为证明这一猜想 , 再证 2n- (- 1)n 可被 3 整除。为简便计 , 令
f (n) =
2 - ( -1) 3
n
n
, 当 n=0 , n=1
成立。假设 n=k- 1 和 n=k 时 ( 3 ) 式成立 , 则 n=k+1 时 , 由 un 的递推关系及
解 当 n=1 时 ,
u 2 = 2 + 2 -1 = 2
-1
n
2 2 - ( -1) 2 3
+2
-
2 2 - ( -1) 2 3
n
,
2 n -( - 1) n
n=2 时 ,
u3 = 8 + 8 = 2
3
2 -( -1) 3
n n
+2
-
2 - ( - 1) n 3
,
…… , 由此可以猜想 :
\ (3)
! ! ! f ( x) = a0 + a1 x + a2 x 2 + L + an x n + L, ! ! - 5xf ( x) = -5a0 x - 5a1 x 2 - L - 5an-1 x n - L, ! ! ! !
n -1 n -1
n -1
n -1
!" # $ % & " " ! " #$ % &’ (# )* + ,- $./ 0 12 3 # a0 + a1 x + a2 x 2 + L + a n x n + L! "# $ &’ () *+ ,$ -. /0 1 *2 34 56 78 9% : ;< => , $! ?@ AB ! {an }! " #$% an 5a 6! an n 2) -! ! !" ! a0 = 1, a1 = -2 ! ! != !! !n! !-! ! !" ! ! # $ % & {an }! " # $ ! -1! 2(
成立。
故 f(n)
为正整数 , 2- f(n) 为 (0,1) 内的纯小数 , 所以
[u n ] = [ 2 f ( n ) + 2 - f ( n ) ] = 2 f ( n )
用代换方法求数列通项时 , 可用不动点法帮助寻找合适的代换不动点法的定义和定理如下。 定义 3 定理 3 方程 f(x)=x 的根称为函数 f(x)的不动点。利用递推数列 f(n)的不动点 , 可将某些递推关 若 f(u)=au+b(a≠0 , a≠1 ) , p 是 f 的不动点 , {un}满足递推关系 un=f( un- 1) ( n>1 ) , 则 un- p=a 系 an=f(an- 1)所确定的数列化为等比数列或较易求通项的数列 , 这种方法称为不动点法。 ( un- 1- p ) , 即 {un- p}是公比为 a 的等比数列。
由 递 归 方 程 消 去 bn, bn +1 得 :
本 题 涉 及 两 个 递 归 数 列 {an}和 {bn}, 可 利 用 解 代 数 方 程 组 的 消 元 法 分 别 得 出 每 个 数 列 的 递
然后求解。略解, 代入得 :
an + 2 - 4an+1 + 3an = 0,
用特征根法求出
n + L + ck xkn , an = c1 x1n + c2 x2
其中 c1,c2, … ck 是如下线性方程组的唯一解 ,
ìc1 x1 + c2 x2 + L + ck xk = a1 , ï 2 2 2 ïc1 x1 + c2 x2 + L + ck xk = a2 , í ïLLLLLLLLL ïc x k + c x k + L + c x k = a . 2 2 k k k î1 1
1 特征根法
一般来说 , 线性递归数列的通项可利用特征方程及 性 质 求 出 , 称 为 特 征 根 法 。 首 先 给 出 线 性 递 归 数列及其特征方程的定义。 定义 2 若数列 {an}从第 k 项以后任一项都是其前 k 项的线性组合 , 即
an + k = l1an+ k -1 + l2 an + k - 2 + L + lk an
・ 47 ・
an = (c1 + c2 n + L + ck n n -1 )ln , 其中 c1,c2, … ck 是如下线性方程组的唯一解 , ì(c1 + c2 + L + ck )l = a1 , ï k -1 2 ï(c1 + 2c2 + L + 2 ck )l = a2 , í ïLLLLLLLLL ï(c + kc + L + k k -1c )lk = a . k k 2 î 1
f ( k ) + 2 f ( k - 1) = f ( k + 1), 2 f ( k - 1) - f ( k ) = ( - 1) k ,
可证
uk +1 = 2 f ( k +1) + 2 - f ( k +1) , 又由 f ( n ) =
3 不动点法
2 n - ( - 1) n ( 2 + 1)( 2 n -1 - 2 n - 2 + 2 n - 3 - L ) , = 3 3
数列是数学的重要内容之一 , 而数列的通项公式又 是 研 究 、 探讨数列问题的重要渠道。递推数列 一直是各类数学竞赛的热点之一。本文给出递推数列的定义 , 以及几种特殊求法。 定 义 1 对 任 意 n ∈N , 由 递 推 关 系 an+k=f(an+k- 1,an+k- 2 … an) , 确 定 的 数 列 {an}称 为 递 推 数 列 , 或 递 归 数 列。若 f 是线性的 , 则称此数列为线性递推数列 , 否则称为非线性递推数列。
c1 = - 5, c 2 = 2, c3 = 例2 分析 归方程,
1 3 1 3 - i , c 4 = - + i , 即可求出 an 的表达式。 2 2 2 2 1 已知 a = 1, b = 0, !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! = 2 a n + b n , b n + 1 = 3 a n + 2 b n , 求 {an}, {bn}的通项公式。 a n +1 1 1 3
au + b (c ¹ 0, ad - bc ¹ 0) , {un}满足递推关系 un=f( un- 1) ( n>1 ) , 初值条件 cu + d x1≠f(x1)。 un - p u -p a - pc ( 这里 !!!!!!!!!! ! = k × n -1 ⑴ 若 f 有两个相异不动点 p,q , 则 k= un - q u n -1 - q a - qc
2006 年 2 月
第 12 卷第 1 期
安庆师范学院学报 (
自然科学版 )
Feb.2006 Vol.12 No.1
J ourna l of Anqing Te a che rs Colle ge ( Na tura l S cie nce Edition )
递推数列通项公式的几种特殊求法
俞宏毓 1, 高峰
!
an = ()*’!!!!!
2 n +1 + ( - 1) n . 2 n + ( - 1) n -1
n an +1 = n ! !"!" a1 > 0, a1 ¹ 1 !"!!!!!!!!!!!!!!!!"#$% {a n }!"#$! 2
x1 = - 1 , x 2 = 1, x 3 =!!!! i, x 4 = -!!! x 3 =!!!!!!"( i = x "#$%&’!! !!!!! ! ! ! ! !!!!! !!!! !!!!!! !!!!!!!!! !!!!! 2
2
( 1! 华 中 师 范 大 学 数 学 与 统 计 学 院 , 湖 北 武 汉 430079 ; 2. 浙 江 省 奉 化 市 波 导 股 份 有 限 公 司 研 究 院 , 浙 江 奉 化 315500 )
摘 要: 数列的通项公式是研究、 探讨数列问题的重要渠道。递推数列是各类数学竞赛的热点之一。本 文通过实例介绍递推数列通向公式的几种特殊求法。 关键词: 递推数列; 通向公式; 特征根法; 数学归纳法; 不动点法; 母函数法 中 国 分 类 号 : G633 文献标识码: A 文 章 编 号 : 1007- 4260( 2006 ) 01- 0046- 03
定理 4 设
f (u ) =
・ 48 ・
安庆师范学院学报 ( 自然科学版 )
2006 年
⑵ 若 f 只有唯一不动点 p , 则
1 1 2c = + k !!!!!!!! ! ( 这里 k = u n - p u n -1 - p a+d
2 an 2 ( x + 2) f ( x ) = x !"#$% p = 2, q = -1 !"#! !!!"#$%&’"!!!!!!!!!!!!!!!!!!!"#$% f ( x) = 1 + = x x an - 2 1 a -2 1 a +1 - 2 a n + 2 - 2 a n 1 a -2 = ( - ) n -1 1 = (- )n , !! n ! ! != ! ! ! ! ! ! = !! !× !n ! ! ( n "! ! #$%&’!!! 1). an +1 2 a1 + 1 2 a n +1 + 1 an + 2 + an 2 an + 1 a n +1 = 1 + ( n1)#$ a n !! ! "#! {a n }!" a1 = 1 !"!!!!!!!!!!!!"!
n n
u 0 = 2 ! u1 =
5 2 ! u n +1 = u n (u n -1 - 2) - u1 ( n≥ 1) 2
[u n ] = 2
分析
[x]表示不超过 x 的最大整数 ) ( 第 18 届 IMO 第 6 题 , 1976 年 )
此题递推关系较复杂 , 结论又未给出 un 的表达式 , 不妨通过归纳法探索 un 的表达式。
例 1 已知 a1=a2=0 , a3=- 2 , a4=2 , an+4=2an+3- 2an+2+2an+1- an( n≥1 ) , 求 {an}的通项公式。
x 4 = 2 x 3 - 2 x 2 + 2 x - 1, 它的根为 x1=x2=1( 重根 ) , x3=i , x4=- i , 故通项公式为 an = c1 + c2 n + c3i n + c4 ( -i ) n .。由初值条件列出线性方程组 , 解得待定系数 :
收稿日期 : 2005- 10- 13 作者简介 : 俞 宏 毓( 1977- ) , 女 , 安 徽 宁 国 人 , 华 中 师 范 大 学 硕 士 研 究 生 , 专 业 方 向 为 数 学 课 程 与 教 学 论 。
第1期 定理 2
俞宏毓 1, 高峰 2: 递推数列通项公式的几种特殊求法 若特征方程 ( 2 ) 有 k 重根 λ , 则对应递归方程 (1)所确定的数列 {an}的通项公式为
x4 + 6x2 +1 4 x ( x + 1)
a 4 + 6a 2 + 1 4a n ( a n + 1)
3Байду номын сангаас3
3 3
a n +1 + 1 a +1 4 ( a + 1) 4 + ( a1 - 1) 4 an = 1 . ) , =( n p = 1, q = -1 !"#$%&!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!"#$%&’! ( a1 + 1) 4 - ( a1 - 1) 4 a n +1 - 1 an - 1
1 an = (3n-1 + 1), 2
2
例3 数学归纳法
bn = 3a n +1 - 6 a n =
3 n -1 (3 - 1). 2
求证 : 对任意自然数 n ,
对于非线性递推数列 , 可以先用不完全归纳法猜测通项公式或求和公式 , 再用数学归纳法证明。 数列 {un}定义为 :
2 -( -1) ( 3
程相应的代数方程
(1)
其中 n∈N , λ 为 k 阶线性递归数列 , (1)称为 {an}的递归方程。 与递归方 1, λ 2, … λ k 是常数 , λ k≠ 0 , 则称 {an}
x k = l1 x k -1 + l2 x k - 2 + L + lk (lk ¹ 0)
(2)
称为 k 阶线性递归数列 {an}的特征方程。 利用特征根法求线性递归数列通项的依据是如下两个定理 , 这里略去定理的证明。 定理 1 若特征方程 ( 2 ) 有 k 个相异根 x1,x2, … xk, 则对应递归方程 (1)确定的数列 {an}的通项公式为
un = 2
时 , un=2 +2
f(n) - f(n)
2 -( -1) 3
n
+2
-
问题转化为证明这一猜想 , 再证 2n- (- 1)n 可被 3 整除。为简便计 , 令
f (n) =
2 - ( -1) 3
n
n
, 当 n=0 , n=1
成立。假设 n=k- 1 和 n=k 时 ( 3 ) 式成立 , 则 n=k+1 时 , 由 un 的递推关系及
解 当 n=1 时 ,
u 2 = 2 + 2 -1 = 2
-1
n
2 2 - ( -1) 2 3
+2
-
2 2 - ( -1) 2 3
n
,
2 n -( - 1) n
n=2 时 ,
u3 = 8 + 8 = 2
3
2 -( -1) 3
n n
+2
-
2 - ( - 1) n 3
,
…… , 由此可以猜想 :
\ (3)
! ! ! f ( x) = a0 + a1 x + a2 x 2 + L + an x n + L, ! ! - 5xf ( x) = -5a0 x - 5a1 x 2 - L - 5an-1 x n - L, ! ! ! !
n -1 n -1
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成立。
故 f(n)
为正整数 , 2- f(n) 为 (0,1) 内的纯小数 , 所以
[u n ] = [ 2 f ( n ) + 2 - f ( n ) ] = 2 f ( n )
用代换方法求数列通项时 , 可用不动点法帮助寻找合适的代换不动点法的定义和定理如下。 定义 3 定理 3 方程 f(x)=x 的根称为函数 f(x)的不动点。利用递推数列 f(n)的不动点 , 可将某些递推关 若 f(u)=au+b(a≠0 , a≠1 ) , p 是 f 的不动点 , {un}满足递推关系 un=f( un- 1) ( n>1 ) , 则 un- p=a 系 an=f(an- 1)所确定的数列化为等比数列或较易求通项的数列 , 这种方法称为不动点法。 ( un- 1- p ) , 即 {un- p}是公比为 a 的等比数列。
由 递 归 方 程 消 去 bn, bn +1 得 :
本 题 涉 及 两 个 递 归 数 列 {an}和 {bn}, 可 利 用 解 代 数 方 程 组 的 消 元 法 分 别 得 出 每 个 数 列 的 递
然后求解。略解, 代入得 :
an + 2 - 4an+1 + 3an = 0,
用特征根法求出
n + L + ck xkn , an = c1 x1n + c2 x2
其中 c1,c2, … ck 是如下线性方程组的唯一解 ,
ìc1 x1 + c2 x2 + L + ck xk = a1 , ï 2 2 2 ïc1 x1 + c2 x2 + L + ck xk = a2 , í ïLLLLLLLLL ïc x k + c x k + L + c x k = a . 2 2 k k k î1 1
1 特征根法
一般来说 , 线性递归数列的通项可利用特征方程及 性 质 求 出 , 称 为 特 征 根 法 。 首 先 给 出 线 性 递 归 数列及其特征方程的定义。 定义 2 若数列 {an}从第 k 项以后任一项都是其前 k 项的线性组合 , 即
an + k = l1an+ k -1 + l2 an + k - 2 + L + lk an
・ 47 ・
an = (c1 + c2 n + L + ck n n -1 )ln , 其中 c1,c2, … ck 是如下线性方程组的唯一解 , ì(c1 + c2 + L + ck )l = a1 , ï k -1 2 ï(c1 + 2c2 + L + 2 ck )l = a2 , í ïLLLLLLLLL ï(c + kc + L + k k -1c )lk = a . k k 2 î 1
f ( k ) + 2 f ( k - 1) = f ( k + 1), 2 f ( k - 1) - f ( k ) = ( - 1) k ,
可证
uk +1 = 2 f ( k +1) + 2 - f ( k +1) , 又由 f ( n ) =
3 不动点法
2 n - ( - 1) n ( 2 + 1)( 2 n -1 - 2 n - 2 + 2 n - 3 - L ) , = 3 3
数列是数学的重要内容之一 , 而数列的通项公式又 是 研 究 、 探讨数列问题的重要渠道。递推数列 一直是各类数学竞赛的热点之一。本文给出递推数列的定义 , 以及几种特殊求法。 定 义 1 对 任 意 n ∈N , 由 递 推 关 系 an+k=f(an+k- 1,an+k- 2 … an) , 确 定 的 数 列 {an}称 为 递 推 数 列 , 或 递 归 数 列。若 f 是线性的 , 则称此数列为线性递推数列 , 否则称为非线性递推数列。