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文档介绍
2021届浙江新高考数学一轮复习教师用书:第六章 3 第3讲 等比数列及其前n项和
第3讲 等比数列及其前n项和 1.等比数列的有关概念 (1)定义 如果一个数列从第2项起,每一项与它的前一项的比等于同一常数(不为零),那么这个数列就叫做等比数列.这个常数叫做等比数列的公比,通常用字母q表示,定义的表达式为=q(q≠0,n∈N*). (2)等比中项 如果a,G,b成等比数列,那么G叫做a与b的等比中项.即:G是a与b的等比中项⇔G2=ab. “a,G,b成等比数列”是“G是a与b的等比中项”的充分不必要条件. 2.等比数列的有关公式 (1)通项公式:an=a1qn-1. (2)前n项和公式:Sn= 3.等比数列的性质 已知数列{an}是等比数列,Sn是其前n项和(m,n,p,q,r,k∈N*) (1)若m+n=p+q=2r,则am·an=ap·aq=a; (2)数列am,am+k,am+2k,am+3k,…仍是等比数列; (3)数列Sm,S2m-Sm,S3m-S2m,…仍是等比数列(此时{an}的公比q≠-1). 4.等比数列的单调性 当q>1,a1>0或01,a1<0或00时,{an}是递减数列; 当q=1时,{an}是常数列. 5.等比数列与指数函数的关系 当q≠1时,an=·qn,可以看成函数y=cqx,是一个不为0的常数与指数函数的乘积,因此数列{an}各项所对应的点都在函数y=cqx的图象上. [疑误辨析] 判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”) (1)若一个数列从第2项起每一项与它的前一项的比都是常数, 则这个数列是等比数列.( ) (2)三个数a,b,c成等比数列的充要条件是b2=ac.( ) (3)满足an+1=qan(n∈N*,q为常数)的数列{an}为等比数列.( ) (4)如果{an}为等比数列,bn=a2n-1+a2n,则数列{bn}也是等比数列.( ) (5)等比数列中不存在数值为0的项.( ) 答案:(1)× (2)× (3)× (4)× (5)√ [教材衍化] 1.(必修5P54A组T8改编)在3与192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________. 解析:设该数列的公比为q,由题意知, 192=3×q3,q3=64,所以q=4. 所以插入的两个数分别为3×4=12,12×4=48. 答案:12,48 2.(必修5P51例3改编)已知{an}是等比数列,a2=2,a5=,则公比q=________. 解析:由题意知q3==,所以q=. 答案: 3.(必修5P61A组T1改编)等比数列{an}的首项a1=-1,前n项和为Sn,若=,则{an}的通项公式an=________. 解析:因为=,所以=-,因为S5,S10-S5,S15-S10成等比数列,且公比为q5,所以q5=-,q=-,则an=-1×=-. 答案:- [易错纠偏] (1)忽视项的符号判断; (2)忽视公比q=1的特殊情况; (3)忽视等比数列的项不为0. 1.在等比数列{an}中,a3=4,a7=16,则a3与a7的等比中项为________. 解析:设a3与a7的等比中项为G,因为a3=4,a7=16,所以G2=4×16=64,所以G=±8. 答案:±8 2.数列{an}的通项公式是an=an(a≠0),则其前n项和Sn=________. 解析:因为a≠0,an=an,所以{an}是以a为首项,a为公比的等比数列.当a=1时,Sn=n;当a≠1时Sn=. 答案: 3.已知x,2x+2,3x+3是一个等比数列的前三项,则x的值为________. 解析:因为x,2x+2,3x+3是一个等比数列的前三项, 所以(2x+2)2=x(3x+3), 即x2+5x+4=0, 解得x=-1或x=-4. 当x=-1时,数列的前三项为-1,0,0, 不是等比数列,舍去. 答案:-4 等比数列的基本运算(高频考点) 等比数列的基本运算是高考的常考内容,题型既有选择题、填空题,也有解答题,难度为中、低档题.主要命题角度有: (1)求首项a1、公比q或项数n; (2)求通项或特定项; (3)求前n项和. 角度一 求首项a1、公比q或项数n (1)已知S3=a2+10a1,a5=9,则a1等于( ) A. B.- C. D.- (2)设数列{an}是等比数列,前n项和为Sn,若S3=3a3,则公比q=________. 【解析】 (1)设等比数列{an}的公比为q, 由S3=a2+10a1,得a1+a2+a3=a2+10a1,即a3=9a1,q2=9, 又a5=a1q4=9,所以a1=. (2)当q≠1时,=3a1q2,解得q=1(舍去)或-.当q=1时,S3=a1+a2+a3=3a3也成立. 【答案】 (1)C (2)1或- 角度二 求通项或特定项 已知各项都为正数的数列{an}满足a1=1,a-(2an+1-1)an-2an+1=0,则an=________. 【解析】 由a-(2an+1-1)an-2an+1=0得2an+1(an+1)=an(an+1). 因为{an}的各项都为正数,所以=. 故{an}是首项为1,公比为的等比数列, 因此an=. 【答案】 角度三 求前n项和 (2020·温州模拟)已知数列{an}是递增的等比数列,a1+a4=9,a2a3=8,则数列{an}的前n项和等于________. 【解析】 设等比数列的公比为q,则有 解得或又{an}为递增数列,所以 所以Sn==2n-1. 【答案】 2n-1 解决等比数列有关问题的三种常见思想方法 (1)方程思想:等比数列中有五个量a1,n,q,an,Sn,一般可以“知三求二”,通过列方程(组)求关键量a1和q,问题可迎刃而解. (2)分类讨论思想:因为等比数列的前n项和公式涉及对公比q的分类讨论,所以当某一参数为公比进行求和时,就要对参数是否为1进行分类讨论. (3)整体思想:应用等比数列前n项和公式时,常把qn或当成整体进行求解. 1.设等比数列{an}的各项均为正数,其前n项和为Sn,若a1=1,a3=4,Sk=63,则k=( ) A.4 B.5 C.6 D.7 解析:选C.设等比数列{an}的公比为q,由已知a1=1,a3=4,得q2==4.又{an}的各项均为正数, 所以q=2.而Sk==63, 所以2k-1=63, 解得k=6. 2.(2020·绍兴市柯桥区高三期中考试)已知正数数列{an}的前n项和Sn满足:Sn和2的等比中项等于an和2的等差中项,则a1=________,Sn=________. 解析:由题意知=,平方可得Sn=,① 由a1=S1得=,从而可解得a1=2. 又由①式得Sn-1=(n≥2),② ①-②可得an=Sn-Sn-1=-(n≥2), 整理得(an+an-1)(an-an-1-4)=0, 因为数列{an}的各项都是正数, 所以an-an-1-4=0,即an-an-1=4. 故数列{an}是以2为首项4为公差的等差数列, 所以Sn=2n+×4=2n2. 当n=1时,S1=a1=2. 故Sn=2n2. 答案:2 2n2 等比数列的判定与证明 (1)已知等比数列{an}的前n项和为Sn,若a2=12,a3a5=4,则下列说法正确的是( ) A.{an}是单调递减数列 B.{Sn}是单调递减数列 C.{a2n}是单调递减数列 D.{S2n}是单调递减数列 (2)设数列{an}的前n项和为Sn,n∈N*.已知a1=1,a2=,a3=,且当n≥2时,4Sn+2+5Sn=8Sn+1+Sn-1. ①求a4的值; ②证明:为等比数列. 【解】 (1)选C.由于{an}是等比数列,则a3a5=a=4,又a2=12,则a4>0,a4=2,q2=,当q=-时,{an}和{Sn}不具有单调性,选项A和B错误;a2n=a2q2n-2=12×单调递减,选项C正确;当q=-时,{S2n}不具有单调性,选项D错误. (2)①当n=2时,4S4+5S2=8S3+S1,即4(1+++a4)+5=8+1, 解得a4=. ②证明:由4Sn+2+5Sn=8Sn+1+Sn-1(n≥2),得4Sn+2-4Sn+1+Sn-Sn-1=4Sn+1-4Sn(n≥2),即4an+2+an=4an+1(n≥2). 因为 4a3+a1=4×+1=6=4a2, 所以4an+2+an=4an+1, 所以== ==, 所以数列是以a2-a1=1为首项,为公比的等比数列. (变问法)在本例(2)条件下,求数列{an}的通项公式. 解:由本例(2)的②知,an+1-an=, 即-=4. 所以数列是以=2为首项,4为公差的等差数列,所以=2+4(n-1)=4n-2, 即an=(2n-1)·, 所以数列{an}的通项公式为an=(2n-1)·. 等比数列的判定方法 (1)定义法:若=q(q为非零常数)或=q(q为非零常数且n≥2),则{an}是等比数列. (2)中项公式法:若数列{an}中an≠0且a=an·an+2(n∈N*),则数列{an}是等比数列. (3)通项公式法:若数列的通项公式可写成an=c·qn-1(c,q均为不为0的常数,n∈N*),则{an}是等比数列. (4)前n项和公式法:若数列{an}的前n项和Sn=k·qn-k(k为常数且k≠0,q≠0,1),则{an}是等比数列. [提醒] (1)前两种方法是判定等比数列的常用方法,常用于证明;后两种方法常用于选择题、填空题中的判定. (2)若要判定一个数列不是等比数列,则只需判定存在连续三项不成等比数列即可. (2020·瑞安市龙翔中学高三月考)各项为正的数列{an}满足a1=,an+1=+an(n∈N*). (1)取λ=an+1,求证:数列是等比数列,并求其公比; (2)取λ=2时令bn=,记数列{bn}的前n项和为Sn,数列{bn}的前n项之积为Tn,求证:对任意正整数n,2n+1Tn+Sn为定值. 解:(1)由λ=an+1,得an+1=+an, 所以a-an+1an-a=0. 两边同除a可得:--1=0, 解得=. 因为an>0,所以=为常数, 故数列是等比数列,公比为. (2)证明:当λ=2时,an+1=+an, 得2an+1=an(an+2), 所以bn==·. 所以Tn=b1·b2…bn=…==, 又bn=·===-, 所以Sn=b1+b2+…+bn=-=2-, 故2n+1Tn+Sn=2n+1·+2-=2为定值. 等比数列的性质(高频考点) 等比数列的性质是高考的热点,多以选择题、填空题的形式出现,其难度为中等.主要命题角度有: (1)等比数列项的性质的应用; (2)等比数列前n项和的性质的应用. 角度一 等比数列项的性质的应用 (1)在等比数列{an}中,a3,a15是方程x2-6x+8=0的根,则的值为( ) A.2 B.4 C.-2或2 D.-4或4 (2)(2020·温州八校联考)数列{an}的通项公式为an=2n-1,则使不等式a+a+…+a<5×2n+1成立的n的最大值为( ) A.2 B.3 C.4 D.5 【解析】 (1)因为a3,a15是方程x2-6x+8=0的根, 所以a3a15=8,a3+a15=6, 易知a3,a15均为正,由等比数列的性质知,a1a17=a=a3a15=8, 所以a9=2,=2,故选A. (2)因为an=2n-1,a=4n-1, 所以a+a+…+a==(4n-1). 因为a+a+…+a<5×2n+1, 所以(4n-1)<5×2n+1, 因为2n(2n-30)<1,对n进行赋值,可知n的最大值为4. 【答案】 (1)A (2)C 角度二 等比数列前n项和的性质的应用 等比数列{an}中,已知a1+a3=8,a5+a7=4,则a9+a11+a13+a15的值为( ) A.1 B.2 C.3 D.5 【解析】 法一:因为{an}为等比数列,所以a5+a7是a1+a3与a9+a11的等比中项,所以(a5+a7)2=(a1+a3)·(a9+a11),故a9+a11===2. 同理,a9+a11是a5+a7与a13+a15的等比中项, 所以(a9+a11)2=(a5+a7)(a13+a15), 故a13+a15===1. 所以a9+a11+a13+a15=2+1=3. 法二:在等比数列{an}中, 得q4==, 所以a9+a11+a13+a15=q8(a1+a3+a5+a7)=(8+4)=3. 【答案】 C 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. 1.已知等比数列{an}中,a4+a8=-2,则a6(a2+2a6+a10)的值为( ) A.4 B.6 C.8 D.-9 解析:选A.a6(a2+2a6+a10)=a6a2+2a+a6a10=a+2a4a8+a=(a4+a8)2,因为a4+a8=-2,所以a6(a2+2a6+a10)=4. 2.设等比数列{an}中,前n项和为Sn,已知S3=8,S6=7,则a7+a8+a9等于( ) A. B.- C. D. 解析:选A.因为a7+a8+a9=S9-S6,且S3,S6-S3,S9-S6也成等比数列,即8,-1,S9-S6成等比数列,所以8(S9-S6)=1,即S9-S6=.所以a7+a8+a9=. 3.(2020·杭州学军中学高三月考)已知数列{an}满足a1=2且对任意的m,n∈N*,都有=an,则a3=________;{an}的前n项和Sn=________. 解析:因为=an, 所以an+m=an·am, 所以a3=a1+2=a1·a2=a1·a1·a1=23=8; 令m=1, 则有an+1=an·a1=2an, 所以数列{an}是首项为a1=2,公比q=2的等比数列, 所以Sn==2n+1-2. 答案:8 2n+1-2 思想方法系列4 分类讨论思想求解数列问题 等差数列{an}的前n项和为Sn,数列{bn}是等比数列,满足a1=3,b1=1,b2+S2=10,a5-2b2=a3. (1)求数列{an}和{bn}的通项公式; (2)令cn=设数列{cn}的前n项和为Tn,求T2n. 【解】 (1)设数列{an}的公差为d,数列{bn}的公比为q, 由得 解得 所以an=3+2(n-1)=2n+1,bn=2n-1. (2)由a1=3,an=2n+1,得Sn==n(n+2), 则cn= 即cn= 所以T2n=(c1+c3+…+c2n-1)+(c2+c4+…+c2n) =+(2+23+…+22n-1) =1-+=+(4n-1). 分类讨论思想在数列中应用较多,常见的分类讨论有: (1)已知Sn与an的关系,要分n=1,n≥2两种情况. (2)等比数列中遇到求和问题要分公比q=1,q≠1讨论. (3)项数的奇、偶数讨论. (4)等比数列的单调性的判断注意与a1,q的取值的讨论. 1.(2020·宁波模拟)设等比数列{an}的前n项和为Sn,若Sn=2n+1+λ,则λ=( ) A.-2 B.-1 C.1 D.2 解析:选A.法一:当n=1时,a1=S1=4+λ. 当n≥2时,an=Sn-Sn-1=(2n+1+λ)-(2n+λ)=2n,此时==2. 因为{an}是等比数列,所以=2, 即=2,解得λ=-2.故选A. 法二:依题意,a1=S1=4+λ,a2=S2-S1=4,a3=S3-S2=8, 因为{an}是等比数列,所以a=a1·a3,所以8(4+λ)=42,解得λ=-2.故选A. 2.已知等比数列{an}中a2=1,则其前3项的和S3的取值范围是( ) A.(-∞,-1] B.(-∞,0)∪[1,+∞) C.[3,+∞) D.(-∞,-1]∪[3,+∞) 解析:选D.设等比数列{an}的公比为q, 则S3=a1+a2+a3=a2=1+q+. 当公比q>0时,S3=1+q+≥1+2=3,当且仅当q=1时,等号成立; 当公比q<0时,S3=1-≤1-2=-1,当且仅当q=-1时, 等号成立. 所以S3∈(-∞,-1]∪[3,+∞). [基础题组练] 1.(2020·宁波质检)在单调递减的等比数列{an}中,若a3=1,a2+a4=,则a1=( ) A.2 B.4 C. D.2 解析:选B.在等比数列{an}中,a2a4=a=1,又a2+a4=,数列{an}为递减数列,所以a2=2,a4=,所以q2==,所以q=,a1==4. 2.(2020·衢州模拟)设Sn为等比数列{an}的前n项和,a2-8a5=0,则的值为( ) A. B. C.2 D.17 解析:选B.设{an}的公比为q,依题意得==q3,因此q=.注意到a5+a6+a7+a8=q4(a1+a2+a3+a4),即有S8-S4=q4S4,因此S8=(q4+1)S4,=q4+1=,选B. 3.(2020·瑞安四校联考)已知数列{an}的首项a1=2,数列{bn}为等比数列,且bn=,若b10b11=2,则a21=( ) A.29 B.210 C.211 D.212 解析:选C.由bn=,且a1=2,得b1==,a2=2b1;b2=,a3=a2b2=2b1b2;b3=,a4=a3b3=2b1b2b3;…;an=2b1b2b3…bn-1,所以a21=2b1b2b3…b20,又{bn}为等比数列,所以a21=2(b1b20)(b2b19)…(b10b11)=2(b10b11)10=211. 4.(2020·丽水市高考数学模拟)设等比数列{an}的前n项和为Sn,下列结论一定成立的是( ) A.a1+a3≥2a2 B.a1+a3≤2a2 C.a1S3>0 D.a1S3<0 解析:选C.选项A,数列-1,1,-1为等比数列,但a1+a3=-2<2a2=2,故A错误;选项B,数列1,-1,1为等比数列,但a1+a3=2>2a2=-2,故B错误;选项D, 数列1,-1,1为等比数列,但a1S3=1>0,故D错误;对于选项C,a1(a1+a2+a3)=a1(a1+a1q+a1q2)=a(1+q+q2),因为等比数列的项不为0,故a>0,而1+q+q2=+>0, 故a(1+q+q2)>0,故C正确. 5.(2020·郑州市第一次质量预测)已知数列{an}满足a1a2a3…an=2n2(n∈N*),且对任意n∈N*都有++…+0).( ) A.若b7≤a6,则b4+b10≥a3+a9 B.若b7≤a6,则b4+b10≤a3+a9 C.若b6≥a7,则b3+b9≥a4+a10 D.若b6≤a7,则b3+b9≤a4+a10 解析:选C.因为数列{an}是等差数列,数列{bn}是等比数列(bn>0), 在A中,因为b7≤a6,b4+b10≥2=2b7, a3+a9=2a6,所以b4+b10≥a3+a9不一定成立,故A错误; 在B中,因为b7≤a6,b4+b10≥2=2b7, a3+a9=2a6,所以b4+b10≤a3+a9不一定成立,故B错误; 在C中,因为b6≥a7,所以b3+b9≥2=2b6,a4+a10=2a7,所以b3+b9≥a4+a10,故C正确; 在D中,因为b6≤a7,所以b3+b9≥2=2b6,a4+a10=2a7,所以b3+b9≤a4+a10不一定成立,故D错误. 3.已知直线ln:y=x-与圆Cn:x2+y2=2an+n交于不同的两点An,Bn,n∈N*,数列{an}满足:a1=1,an+1=|AnBn|2,则数列{an}的通项公式为________. 解析:圆Cn的圆心到直线ln的距离dn==,半径rn=,故an+1=|AnBn|2=r-d=2an,故数列{an}是以1为首项,2为公比的等比数列,故an=2n-1(n∈N*). 答案:an=2n-1(n∈N*) 4.设数列{an}的前n项和为Sn,已知a1=,且对任意正整数m,n都有am+n=am·an,若Sn0知,A(n),B(n),C(n)均大于0,于是===q, ===q, 即==q, 所以三个数A(n),B(n),C(n)组成公比为q的等比数列; (充分性):若对任意n∈N*,三个数A(n),B(n),C(n)组成公比为q的等比数列,则 B(n)=qA(n),C(n)=qB(n), 于是C(n)-B(n)=q[B(n)-A(n)],即an+2-a2= q(an+1-a1),亦即an+2-qan+1=a2-qa1. 由n=1时,B(1)=qA(1), 即a2=qa1,从而an+2-qan+1=0. 因为an>0, 所以==q.故数列{an}是首项为a1,公比为q的等比数列. 综上所述,数列{an}是公比为q的等比数列的充分必要条件是:对任意n∈N*,三个数A(n),B(n),C(n)组成公比为q的等比数列. 6.(2020·杭州市七校高三联考)已知等比数列{an}的公比为q(0 a5, 解得a2=1,a5=, 由等比数列的性质可知a5=a2·q3,解得q=, an=a2·=, 所以数列{an}的通项公式为an=. (2)由(1)可知bn=an·(log2an)=, {bn}的前n项和Tn=b1+b2+b3+…+bn =2+0++++…+, Tn=1+0++++…+, 两式相减可得 Tn=1-- =1-- =1-- =- =, 所以Tn=. (3)因为Sn=4, 由<⇒2<2n(4-m)<6, 2n(4-m)为偶数,因此只能取2n(4-m)=4, 所以有或⇒或.
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