数列变形中隐含条件的指向作用

前言

隐含条件

引例,已知(a_1=2)(a_2=6)(a_{n+2}-2a_{n+1}+a_n=2),证明:({a_{n+1}-a_n})为等差数列;

则“({a_{n+1}-a_n})为等差数列”为题目中的隐含条件,为什么这样说呢?

一般碰到这样的题目,我们的难点往往是看不清变形的方向,这时候仔细研究隐含条件,

则可以知道,变形过程中必然会出现以下的形式,

((a_{n+2}-a_{n+1})-(a_{n+1}-a_{n})=d),此时的常数(d)待定,

如果我们打开整理,得到(a_{n+2}-2a_{n+1}+a_n=d)

比照已知条件,则可知(d=2),由此也就知道了变形的方向,

应该首先将给定条件变形为((a_{n+2}-a_{n+1})-(a_{n+1}-a_{n})=2)

这样我们就充分利用了题目的隐含条件,找到了变形方向。

如果题目变为已知(a_1=2)(a_2=6)(a_{n+2}-2a_{n+1}+a_n=2),求数列({a_n})的通项公式,则隐含条件消失,题目的难度立马变大了。

其他形式

比如题目中告诉我们数列是个正项数列,则题目中可能用到:

①两边同时约分,比如((a_{n+1}+a_n)(a_{n+1}-a_n-2)=0),约分得到(a_{n+1}-a_n=2)

②两边同时开平方,比如(S_n^2=n),则(S_n=sqrt{n})有意义;

③两边同时取对数,则(lna_n)有意义;

案例说明

案例【2018山东济宁二模】已知数列({a_n})满足(a_1=cfrac{3}{2})(4a_{n+1}=4a_n^2+4a_n-1)

(1)证明:数列({lg(a_n+cfrac{1}{2})})为等比数列;

【分析法】:由于数列({lg(a_n+cfrac{1}{2})})为等比数列,

则必有这样的等式成立,即(cfrac{lg(a_{n+1}+cfrac{1}{2})}{lg(a_{n}+cfrac{1}{2})}=q)

那么必有(lg(a_{n+1}+cfrac{1}{2})=qcdot lg(a_{n}+cfrac{1}{2}))

(lg(a_{n+1}+cfrac{1}{2})=lg(a_{n}+cfrac{1}{2})^q)

(a_{n+1}+cfrac{1}{2}=(a_{n}+cfrac{1}{2})^q)

比对已知条件,可知(q=2),这样就有

(a_{n+1}+cfrac{1}{2}=(a_{n}+cfrac{1}{2})^2)

再次比对已知条件,发现还需要两边同时乘以常数4,

(4(a_{n+1}+cfrac{1}{2})=4(a_{n}+cfrac{1}{2})^2)

打开整理,发现上式为(4a_{n+1}+2=4a_{n}^2+4a_n+1)①,

而已知条件为(4a_{n+1}=4a_{n}^2+4a_n-1)②,

二者的差别是给①式的两边同时减去常数2,即得到②式,

到此,由给定条件向待证结论之间的桥梁完全打通,整理如下:

【综合法】:由于(4a_{n+1}=4a_n^2+4a_n-1)

(4a_{n+1}+2=4a_n^2+4a_n+1),即(4(a_{n+1}+cfrac{1}{2})=(2a_n+1)^2=4(a_{n}+cfrac{1}{2})^2)

则有((a_{n+1}+cfrac{1}{2})=(a_{n}+cfrac{1}{2})^2),两边同时取常用对数,

(lg(a_{n+1}+cfrac{1}{2})=2lg(a_{n}+cfrac{1}{2}))

又由于(lg(a_1+cfrac{1}{2})=lg2 eq 0)

故数列({lg(a_n+cfrac{1}{2})})为首项为(lg2),公比为2的等比数列;

反思总结:由求解分析过程可知,题目中的待证结论本身就暗含变形方向的提示作用。

(2)记(R_n=(a_1+cfrac{1}{2}) imes (a_2+cfrac{1}{2}) imes cdots imes (a_n+cfrac{1}{2})),求(R_n)

【法1】:利用通项公式,由(1)可知,数列({lg(a_n+cfrac{1}{2})})为首项为(lg2),公比为2的等比数列;

(lg(a_n+cfrac{1}{2})=lg2cdot 2^{n-1}=2^{n-1}cdot lg2=lg2^{2^{n-1}}),故(a_n+cfrac{1}{2}=2^{2^{n-1}})

(R_n=(a_1+cfrac{1}{2}) imes (a_2+cfrac{1}{2}) imes cdots imes (a_n+cfrac{1}{2}))

(=2^{2^{1-1}} imes 2^{2^{2-1}} imes 2^{2^{3-1}} imescdots imes 2^{2^{n-1}}=2^{2^0+2^1+cdots+2^{n-1}})

(=2^{frac{1cdot (2^n-1)}{2-1}}=2^{2^n-1})

注意:运算中的易错处,(lg2cdot 2^{n-1} eq lg(2cdot 2^{n-1})),即(lg2cdot 2^{n-1} eq lg2^{n})

【法2】:由于数列({lg(a_n+cfrac{1}{2})})为首项为(lg2),公比为2的等比数列;

(R_n=(a_1+cfrac{1}{2}) imes (a_2+cfrac{1}{2}) imes cdots imes (a_n+cfrac{1}{2}))

给等式两边同时取对数得到,(lgR_n=lg[ (a_1+cfrac{1}{2}) imes (a_2+cfrac{1}{2}) imes cdots imes (a_n+cfrac{1}{2})])

(=lg(a_1+cfrac{1}{2})+lg(a_2+cfrac{1}{2})+lg(a_3+cfrac{1}{2})+cdots+lg(a_n+cfrac{1}{2}))

(=cfrac{lg2(2^n-1)}{2-1}=(2^n-1)lg2=lg2^{2^n-1})

由于(lgR_n=lg2^{2^n-1}),则有(R_n=2^{2^n-1})

注意:由于对数运算能将运算降级处理,即原来是乘法运算降级为加法运算,故法2明显要优于法1,在这里我们需要培养主动使用对数运算的数学意识。

例1各项均为正数的数列({a_n})的前(n)项和为(S_n),且(3S_n=a_ncdot a_{n+1}),则(a_2+a_4+a_6+cdots+a_{2n})=________。

提示:由已知(3S_n=a_ncdot a_{n+1})①,构造(3S_{n+1}=a_{n+1}cdot a_{n+2})②,

两式做差,得到(3a_{n+1}=a_{n+1}cdot a_{n+2}-a_ncdot a_{n+1})(a_{n+1}>0),约分得到

(a_{n+2}-a_n=3),即数列({a_n})的所有奇数项成等差数列,所有偶数项成等差数列,且公差都是(3)

(n=1),代入(3S_n=a_ncdot a_{n+1}),求得(a_2),从而得到(a_2+a_4+a_6+cdots+a_{2n}=cfrac{3n^2+3n}{2}).

例2【2015(cdot)高考广东卷】设数列({a_n})(n)项和为(S_n,nin N^*),已知(a_1=1,a_2=cfrac{3}{2},a_3=cfrac{5}{4}),且当(nge 2)(4S_{n+2}+5S_n=8S_{n+1}+S_{n-1})

(1)求(a_4)的值。

分析:(1)简单的数字运算,不过你得注意必须用(S_n)的定义式,

(S_n=a_1+a_2+cdots+a_n)

不能用等差或等比的前(n)项和公式,因为题目没有告诉你数列的性质。

(n=2)(4S_4+5S_2=8S_3+S_1)

(4(a_1+a_2+a_3+a_4)+5(a_1+a_2)=8(a_1+a_2+a_3)+a_1)

将已知条件代入,解得(a_4=cfrac{7}{8})

(2)证明:({a_{n+1}-cfrac{1}{2}a_n})为等比数列。

分析:题目告诉的条件是关于(S_n)类的,而要求解的是关于(a_n)类的,

所以变形的方向肯定是要消去(S_n)类的,全部转化为(a_n)类的。

但是这里有了两个变形思路和变形方向:纵向变形和横向变形,

思路一:纵向变形,(nge 2)时,(4S_{n+2}+5S_n=8S_{n+1}+S_{n-1}).

仿此构造如下式子

(nge 1)时,(4S_{n+3}+5S_{n+1}=8S_{n+2}+S_n).两式相减得到

(nge 2)时,(4a_{n+3}+5a_{n+1}=8a_{n+2}+a_n). 到此思路受阻,

打住。为什么?

我们证明到最后肯定会得到

((a_{n+2}-cfrac{1}{2}a_{n+1})=k(a_{n+1}-cfrac{1}{2}a_n))

或者((a_{n+1}-cfrac{1}{2}a_{n})=k(a_n-cfrac{1}{2}a_{n-1}))

这两个式子都只是涉及到(a_n)类的三项,而我们思路一的涉及到了四项,

所以变形的思路受阻了,得到启示,我们变化如下,

思路二:横向变形,由题目结论的指向作用知道,

不是纵向构造式子做差,应该是就此式子横向做变形,

(nge 2)时,(4S_{n+2}+5S_n=8S_{n+1}+S_{n-1})

即就是((4S_{n+2}-4S_{n+1})=(4S_{n+1}-4S_n)-(S_n-S_{n-1}))

得到(4a_{n+2}=4a_{n+1}-a_n),变形得到,

(a_{n+2}=a_{n+1}-cfrac{1}{4}a_n)

比照题目结论,尝试给两边同时加上(-cfrac{1}{2}a_{n+1}),整理得到

(nge 2)时,((a_{n+2}-cfrac{1}{2}a_{n+1})=cfrac{1}{2}(a_{n+1}-cfrac{1}{2}a_n))

这样基本的等比数列的大样有了,接下来是细节的验证,

其一验证((a_3-cfrac{1}{2}a_2)=cfrac{1}{2}(a_2-cfrac{1}{2}a_1))

其二还得说明(a_2-cfrac{1}{2}a_1 e 0)

才能说明这是个等比数列。

是否将((a_{n+2}-cfrac{1}{2}a_{n+1})=cfrac{1}{2}(a_{n+1}-cfrac{1}{2}a_n))改写为分式形式,

不是必要的。

(3)求数列({a_n})的通项公式。

分析:由第二问知道,({a_{n+1}-cfrac{1}{2}a_n})为首项为1,公比为(cfrac{1}{2})的等比数列,

(a_{n+1}-cfrac{1}{2}a_n=1cdot(cfrac{1}{2})^{n-1})

(a_{n+1}=cfrac{1}{2}a_n+1cdot(cfrac{1}{2})^{n-1}),两边同乘以(2^{n+1})得到,

所以(2^{n+1}cdot a_{n+1}-2^ncdot a_n=4)

数列({2^ncdot a_n})是首项为(2^1cdot a_1=2),公差为4的等差数列,

所以(2^ncdot a_n=2+4(n-1)=4n-2)

(a_n=cfrac{2n-1}{2^{n-1}})

例11【2019届高三理科数学课时作业】已知正项数列({a_n})满足(a_{n+1}^2-6a_n^2=a_{n+1}a_n),则数列({a_n})的前(n)项和(S_n)=_____________。

分析:欲求(S_n),先求解通项公式(a_n)。注意条件中的“正项”。

(a_{n+1}^2-6a_n^2=a_{n+1}a_n),得到(a_{n+1}^2-4a_n^2=2a_n^2+a_{n+1}a_n)

((a_{n+1}+2a_n)(a_{n+1}-2a_n)=(a_{n+1}+2a_n)a_n),由于(a_{n+1}+2a_n>0)

故两边约分,得到(a_{n+1}=3a_n),又(a_1=2 eq 0)

故数列({a_n})为首项为(2),公比为(3)的等比数列,

(S_n=cfrac{2 imes(3^n-1)}{3-1}=3^n-1)

对应练习

①已知(S_{n}=2a_n-2^n),证明:({a_{n+1}-2a_n})为等比数列;

②已知(a_1=2)(na_{n+1}=(n+1)a_n+2),若令(b_n=cfrac{a_n}{n}),求数列({b_n})和数列({a_n})的通项公式;

③已知(a_1=2)(a_2=6)(a_{n+2}-2a_{n+1}+a_n=2),证明:({a_{n+1}-a_n})为等差数列;

(a_{n+1}=3a_n+2n-1);证明:({a_{n}+n})为等差数列;

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