知識(shí)梳理
數(shù)列求和的幾種常用方法
1.公式法
直接利用等差數(shù)列、等比數(shù)列的前n項(xiàng)和公式求和.
(1)等差數(shù)列的前n項(xiàng)和公式:
Sn=eq \f(n?a1+an?,2)=na1+eq \f(n?n-1?,2)d.
(2)等比數(shù)列的前n項(xiàng)和公式:
Sn=eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(na1,q=1,,\f(a1-anq,1-q)=\f(a1?1-qn?,1-q),q≠1)).
2.分組求和法與并項(xiàng)求和法
(1)分組求和法
若一個(gè)數(shù)列是由若干個(gè)等差數(shù)列或等比數(shù)列或可求和的數(shù)列組成,則求和時(shí)可用分組求和法,分別求和后相加減.
(2)并項(xiàng)求和法
一個(gè)數(shù)列的前n項(xiàng)和中,可兩兩結(jié)合求解,則稱(chēng)之為并項(xiàng)求和.形如an=(-1)nf(n)類(lèi)型,可采用兩項(xiàng)合并求解.
3.錯(cuò)位相減法
如果一個(gè)數(shù)列的各項(xiàng)是由一個(gè)等差數(shù)列和一個(gè)等比數(shù)列的對(duì)應(yīng)項(xiàng)之積構(gòu)成的,那么這個(gè)數(shù)列的前n項(xiàng)和即可用此法來(lái)求,如等比數(shù)列的前n項(xiàng)和公式就是用此法推導(dǎo)的.
4.裂項(xiàng)相消法
把數(shù)列的通項(xiàng)拆成兩項(xiàng)之差,在求和時(shí)中間的一些項(xiàng)可以相互抵消,從而求得其和.
常見(jiàn)的裂項(xiàng)技巧
(1)eq \f(1,n?n+1?)=eq \f(1,n)-eq \f(1,n+1).
(2)eq \f(1,n?n+2?)=eq \f(1,2)eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(1,n)-\f(1,n+2))).
(3)eq \f(1,?2n-1??2n+1?)=eq \f(1,2)eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(1,2n-1)-\f(1,2n+1))).
(4)eq \f(1,\r(n)+\r(n+1))=eq \r(n+1)-eq \r(n).
(5)eq \f(1,n?n+1??n+2?)=eq \f(1,2)eq \b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\c1(\f(1,n?n+1?)-\f(1,?n+1??n+2?))).
常用結(jié)論
常用求和公式
(1)1+2+3+4+…+n=eq \f(n?n+1?,2).
(2)1+3+5+7+…+(2n-1)=n2.
(3)12+22+32+…+n2=eq \f(n?n+1??2n+1?,6).
(4)13+23+33+…+n3=eq \b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\c1(\f(n?n+1?,2)))2.
思考辨析
判斷下列結(jié)論是否正確(請(qǐng)?jiān)诶ㄌ?hào)中打“√”或“×”)
(1)如果數(shù)列{an}為等比數(shù)列,且公比不等于1,則其前n項(xiàng)和Sn=eq \f(a1-an+1,1-q).( √ )
(2)求Sn=a+2a2+3a3+…+nan時(shí),只要把上式等號(hào)兩邊同時(shí)乘a即可根據(jù)錯(cuò)位相減法求得.
( × )
(3)已知等差數(shù)列{an}的公差為d,則有eq \f(1,anan+1)=eq \f(1,d)eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(1,an)-\f(1,an+1))). ( × )
(4)sin21°+sin22°+sin23°+…+sin288°+sin289°=44.5.( √ )
教材改編題
1.已知函數(shù)f(n)=eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(n2?當(dāng)n為奇數(shù)時(shí)?,,-n2?當(dāng)n為偶數(shù)時(shí)?,))且an=f(n)+f(n+1),則a1+a2+a3+…+a100等于( )
A.0 B.100 C.-100 D.10 200
答案 B
解析 由題意,得a1+a2+a3+…+a100
=12-22-22+32+32-42-42+52+…+992-1002-1002+1012
=-(1+2)+(3+2)-(4+3)+…-(99+100)+(101+100)
=-(1+2+…+99+100)+(2+3+…+100+101)
=-50×101+50×103=100.
2.?dāng)?shù)列{an}的前n項(xiàng)和為Sn.若an=eq \f(1,n?n+1?),則S5等于( )
A.1 B.eq \f(5,6) C.eq \f(1,6) D.eq \f(1,30)
答案 B
解析 因?yàn)閍n=eq \f(1,n?n+1?)=eq \f(1,n)-eq \f(1,n+1),
所以S5=a1+a2+…+a5=1-eq \f(1,2)+eq \f(1,2)-eq \f(1,3)+…-eq \f(1,6)=eq \f(5,6).
3.Sn=eq \f(1,2)+eq \f(1,2)+eq \f(3,8)+…+eq \f(n,2n)等于( )
A.eq \f(2n-n-1,2n) B.eq \f(2n+1-n-2,2n)
C.eq \f(2n-n+1,2n) D.eq \f(2n+1-n+2,2n)
答案 B
解析 由Sn=eq \f(1,2)+eq \f(2,22)+eq \f(3,23)+…+eq \f(n,2n),①
得eq \f(1,2)Sn=eq \f(1,22)+eq \f(2,23)+…+eq \f(n-1,2n)+eq \f(n,2n+1),②
①-②得,eq \f(1,2)Sn=eq \f(1,2)+eq \f(1,22)+eq \f(1,23)+…+eq \f(1,2n)-eq \f(n,2n+1)=eq \f(\f(1,2)\b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\c1(1-\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(1,2)))n)),1-\f(1,2))-eq \f(n,2n+1),
∴Sn=eq \f(2n+1-n-2,2n).
題型一 分組求和與并項(xiàng)求和
例1 (2023·菏澤模擬)已知數(shù)列{an}中,a1=1,它的前n項(xiàng)和Sn滿足2Sn+an+1=2n+1-1.
(1)證明:數(shù)列eq \b\lc\{\rc\}(\a\vs4\al\c1(an-\f(2n,3)))為等比數(shù)列;
(2)求S1+S2+S3+…+S2n.
(1)證明 由2Sn+an+1=2n+1-1(n≥1),①
得2Sn-1+an=2n-1(n≥2),②
由①-②得an+an+1=2n(n≥2),
得an+1=-an+2n?an+1-eq \f(2n+1,3)=-eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(an-\f(2n,3)))(n≥2),
又當(dāng)n=1時(shí),由①得a2=1?a2-eq \f(22,3)=-eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(a1-\f(2,3))),
所以對(duì)任意的n∈N*,都有an+1-eq \f(2n+1,3)=-eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(an-\f(2n,3))),
故eq \b\lc\{\rc\}(\a\vs4\al\c1(an-\f(2n,3)))是以eq \f(1,3)為首項(xiàng),-1為公比的等比數(shù)列.
(2)解 由(1)知an-eq \f(2n,3)=eq \f(?-1?n-1,3)?an=eq \f(2n+?-1?n-1,3),
所以an+1=eq \f(2n+1+?-1?n,3),代入①得Sn=eq \f(2n+1,3)-eq \f(?-1?n,6)-eq \f(1,2),
所以S1+S2+…+S2n=eq \f(1,3)(22+23+…+22n+1)-eq \f(1,6)[(-1)+(-1)2+…+(-1)2n]-eq \f(2n,2)=eq \f(1,3)×eq \f(22-22n+2,1-2)-0-n=eq \f(22n+2-3n-4,3).
延伸探究 在本例(2)中,如何求S1+S2+S3+…+Sn?
解 當(dāng)n為偶數(shù)時(shí),
S1+S2+S3+…+Sn
=eq \f(1,3)(22+23+…+2n+1)-eq \f(1,6)[(-1)+(-1)2+…+(-1)n-1+(-1)n]-eq \f(n,2)
=eq \f(1,3)×eq \f(22-2n+1·2,1-2)-eq \f(n,2)
=eq \f(2n+2-4,3)-eq \f(n,2)=eq \f(2n+3-3n-8,6).
當(dāng)n為奇數(shù)時(shí),
S1+S2+S3+…+Sn
=(S1+S2+S3+…+Sn+Sn+1)-Sn+1
=eq \f(2n+4-3?n+1?-8,6)-eq \b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\c1(\f(2n+2,3)-\f(?-1?n+1,6)-\f(1,2)))
=eq \f(2n+3-3n-7,6).
綜上,S1+S2+…+Sn=eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(\f(2n+3-3n-8,6),n為偶數(shù),,\f(2n+3-3n-7,6),n為奇數(shù).))
思維升華 (1)若數(shù)列{cn}的通項(xiàng)公式為cn=an±bn,且{an},{bn}為等差或等比數(shù)列,可采用分組求和法求數(shù)列{cn}的前n項(xiàng)和.
(2)若數(shù)列{cn}的通項(xiàng)公式為cn=eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(an,n為奇數(shù),,bn,n為偶數(shù),))其中數(shù)列{an},{bn}是等比數(shù)列或等差數(shù)列,可采用分組求和法求{cn}的前n項(xiàng)和.
跟蹤訓(xùn)練1 記數(shù)列{an}的前n項(xiàng)和為Sn,已知Sn=2an-2n+1.
(1)求數(shù)列{an}的通項(xiàng)公式;
(2)記bn=(-1)n·lg2eq \b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\c1(\f(2,3)?an+4?-\f(4,3))),求數(shù)列{bn}的前n項(xiàng)和Tn.
解 (1)當(dāng)n=1時(shí),由Sn=2an-2n+1,可得a1=S1=2a1-2+1,即有a1=1.
當(dāng)n≥2時(shí),an=Sn-Sn-1=2an-2n+1-2an-1+2(n-1)-1,
即an=2an-1+2,可得an+2=2(an-1+2),顯然an-1+2≠0.
所以數(shù)列{an+2}是首項(xiàng)為3,公比為2的等比數(shù)列,則an+2=3·2n-1,即有an=3·2n-1-2.
(2)bn=(-1)n·lg2eq \b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\c1(\f(2,3)?3·2n-1+2?-\f(4,3)))
=(-1)n·lg22n=(-1)n·n.
當(dāng)n為偶數(shù)時(shí),
Tn=-1+2-3+4-…-(n-1)+n
=(-1+2)+(-3+4)+…+[-(n-1)+n]=eq \f(n,2).
當(dāng)n為奇數(shù)時(shí),
Tn=-1+2-3+4-…+(n-1)-n
=eq \f(n-1,2)-n=eq \f(-n-1,2)=-eq \f(n+1,2).
綜上,Tn=eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(\f(n,2),n為偶數(shù),,-\f(n+1,2),n為奇數(shù).))
題型二 錯(cuò)位相減法求和
例2 (2021·浙江)已知數(shù)列{an}的前n項(xiàng)和為Sn,a1=-eq \f(9,4),且4Sn+1=3Sn-9(n∈N*).
(1)求數(shù)列{an}的通項(xiàng)公式;
(2)設(shè)數(shù)列{bn}滿足3bn+(n-4)an=0(n∈N*),記{bn}的前n項(xiàng)和為T(mén)n.若Tn≤λbn,對(duì)任意n∈N*恒成立,求實(shí)數(shù)λ的取值范圍.
解 (1)因?yàn)?Sn+1=3Sn-9,
所以當(dāng)n≥2時(shí),4Sn=3Sn-1-9,
兩式相減可得4an+1=3an,即eq \f(an+1,an)=eq \f(3,4).
當(dāng)n=1時(shí),4S2=4eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(-\f(9,4)+a2))=-eq \f(27,4)-9,
解得a2=-eq \f(27,16),
所以eq \f(a2,a1)=eq \f(3,4).
所以數(shù)列{an}是首項(xiàng)為-eq \f(9,4),
公比為eq \f(3,4)的等比數(shù)列,
所以an=-eq \f(9,4)×eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(3,4)))n-1=-eq \f(3n+1,4n).
(2)因?yàn)?bn+(n-4)an=0,
所以bn=(n-4)×eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(3,4)))n.
所以Tn=-3×eq \f(3,4)-2×eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(3,4)))2-1×eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(3,4)))3+0×eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(3,4)))4+…+(n-4)×eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(3,4)))n,①
且eq \f(3,4)Tn=-3×eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(3,4)))2-2×eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(3,4)))3-1×eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(3,4)))4+0×eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(3,4)))5+…+(n-5)×eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(3,4)))n+(n-4)×eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(3,4)))n+1,②
①-②得eq \f(1,4)Tn=-3×eq \f(3,4)+eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(3,4)))2+eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(3,4)))3+…+eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(3,4)))n-(n-4)×eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(3,4)))n+1
=-eq \f(9,4)+eq \f(\f(9,16)\b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\c1(1-\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(3,4)))n-1)),1-\f(3,4))-(n-4)×eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(3,4)))n+1
=-n×eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(3,4)))n+1,
所以Tn=-4n×eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(3,4)))n+1.
因?yàn)門(mén)n≤λbn對(duì)任意n∈N*恒成立,
所以-4n×eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(3,4)))n+1≤λeq \b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\c1(?n-4?×\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(3,4)))n))恒成立,
即-3n≤λ(n-4)恒成立,
當(dāng)n4時(shí),λ≥eq \f(-3n,n-4)=-3-eq \f(12,n-4),此時(shí)λ≥-3.
所以-3≤λ≤1.
思維升華 (1)如果數(shù)列{an}是等差數(shù)列,{bn}是等比數(shù)列,求數(shù)列{an·bn}的前n項(xiàng)和時(shí),常采用錯(cuò)位相減法.
(2)錯(cuò)位相減法求和時(shí),應(yīng)注意:
①在寫(xiě)出“Sn”與“qSn”的表達(dá)式時(shí)應(yīng)特別注意將兩式“錯(cuò)項(xiàng)對(duì)齊”,以便于下一步準(zhǔn)確地寫(xiě)出“Sn-qSn”的表達(dá)式.
②應(yīng)用等比數(shù)列求和公式時(shí)必須注意公比q是否等于1,如果q=1,應(yīng)用公式Sn=na1.
跟蹤訓(xùn)練2 (2023·重慶模擬)在①a1=1,nan+1=(n+1)·an,②++…+=2n+1-2這兩個(gè)條件中任選一個(gè),補(bǔ)充在下面的問(wèn)題中并作答.
問(wèn)題:在數(shù)列{an}中,已知________.
(1)求{an}的通項(xiàng)公式;
(2)若bn=,求數(shù)列{bn}的前n項(xiàng)和Sn.
注:如果選擇多個(gè)條件分別解答,按第一個(gè)解答計(jì)分.
解 (1)選擇①,
因?yàn)閚an+1=(n+1)an,所以eq \f(an+1,n+1)=eq \f(an,n).
所以eq \b\lc\{\rc\}(\a\vs4\al\c1(\f(an,n)))是常數(shù)列.
又eq \f(a1,1)=1,所以eq \f(an,n)=1,故an=n.
選擇②,
因?yàn)椋?n+1-2,
所以當(dāng)n=1時(shí),=22-2=2,解得a1=1,
當(dāng)n≥2時(shí),=2n+1-2n=2n,所以an=n.
又a1=1,所以an=n.
(2)由(1)可知bn=eq \f(2n-1,3n),
則Sn=eq \f(1,31)+eq \f(3,32)+…+eq \f(2n-1,3n),①
eq \f(1,3)Sn=eq \f(1,32)+eq \f(3,33)+…+eq \f(2n-3,3n)+eq \f(2n-1,3n+1).②
兩式相減得eq \f(2,3)Sn=eq \f(1,3)+eq \f(2,32)+eq \f(2,33)+…+eq \f(2,3n)-eq \f(2n-1,3n+1)=eq \f(1,3)+eq \f(\f(2,9)\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(1-\f(1,3n-1))),1-\f(1,3))-eq \f(2n-1,3n+1)=eq \f(2,3)-eq \f(2n+2,3n+1).
故Sn=1-eq \f(n+1,3n).
題型三 裂項(xiàng)相消法求和
例3 (10分)(2022·新高考全國(guó)Ⅰ)記Sn為數(shù)列{an}的前n項(xiàng)和,已知a1=1,eq \b\lc\{\rc\}(\a\vs4\al\c1(\f(Sn,an)))是公差為eq \f(1,3)的等差數(shù)列.
(1)求{an}的通項(xiàng)公式;[切入點(diǎn):求數(shù)列eq \b\lc\{\rc\}(\a\vs4\al\c1(\f(Sn,an)))的通項(xiàng)公式]
(2)證明:eq \f(1,a1)+eq \f(1,a2)+…+eq \f(1,an)0,所以an-an-1-1=0,即an-an-1=1(n≥2),
在2Sn=aeq \\al(2,n)+an中,令n=1,則a1=1,
所以數(shù)列{an}是首項(xiàng)為1,公差為1的等差數(shù)列,
故an=n.
(2)bn=aeq \\al(2,n)cs eq \f(2anπ,3)=n2cs eq \f(2nπ,3),
設(shè)ck=b3k-2+b3k-1+b3k=(3k-2)2·cseq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(2kπ-\f(4π,3)))+(3k-1)2cseq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(2kπ-\f(2π,3)))+(3k)2·cs 2kπ=-eq \f(1,2)(3k-2)2+eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(-\f(1,2)))(3k-1)2+(3k)2=9k-eq \f(5,2),
所以T3n=c1+c2+c3+…+cn
=eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(9-\f(5,2)))+eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(9×2-\f(5,2)))+eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(9×3-\f(5,2)))+…+eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(9n-\f(5,2)))
=9(1+2+3+…+n)-eq \f(5,2)n
=9×eq \f(n?1+n?,2)-eq \f(5,2)n=eq \f(9n2+4n,2).

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