整数相关知识

前言

整除

需要满足条件:三整余零,意思是被除数,除数,商都是整数,余数为(0)。如(cfrac{4}{2}=2cdots 0)

正整数分类

  • 所有正整数用(2)来除,会分为两类;余数分别为(0)(1)

故可以表示为(2k-1)(2k),其中(kin N^*)

或者表达为(2k+1)(2k+2),其中(kin N)

  • 所有正整数用(3)来除,会分为三类;余数分别为(0)(1)(2)

故可以表示为(3k-2)(3k-1)(3k),其中(kin N^*)

或者表达为(3k+1)(3k+2)(3k+3),其中(kin N)

  • 所有正整数用(4)来除,会分为四类,余数分别为(0)(1)(2)(3)

我们可以将其表达为(4k+1)(4k+2)(4k+3)(4k+4),此时(kin N)

还可以这样表达为(4k-3)(4k-2)(4k-1)(4k),此时(kin N^*)

应用举例

例1【2012新课标1卷第16题】已知数列(a_{n+1}+(-1)^ncdot a_n=2n-1),求(S_{60})的值。

法1:并项求和法[此法运算和思维成本最小],由于题目中有(n)次方,故针对(n)分奇偶讨论如下:

①当(n)为奇数时,则(n+1)为偶数,

由题目可知(a_{n+1}-a_n=2n-1),则(a_{n+2}+a_{n+1}=2n+1)[1]

两式相减,得到(a_{n+2}+a_n=2),即从(a_1)开始,相邻两个奇数项为等和数列;

(a_1+a_3=2)(a_5+a_7=2)(a_9+a_{11}=2)(cdots)(a_{57}+a_{59}=2)

故前(60)项中的所有奇数项之和为

(S_{奇}=(a_1+a_3)+(a_5+a_7)+cdots+(a_{57}+a_{59})=15 imes 2=30)

②当(n)为偶数时,则(n+1)为奇数,

由题目可知(a_{n+1}+a_n=2n-1),则(a_{n+2}-a_{n+1}=2n+1)[原因同上],

两式相加,得到(a_{n+2}+a_n=4n),即每相邻两偶数项之和为等差数列;

故前(60)项中的所有偶数项之和为

(S_{偶}=(a_2+a_4)+(a_6+a_8)+cdots+(a_{58}+a_{60}))

(=4 imes 2+4 imes 6+4 imes 10+cdots+4 imes 58)

(=4(2+6+10+cdots+58))

(=4 imescfrac{(2+58) imes 15}{2}=1800)

(S_{60}=1800+30=1830)

思路2[摘编自网络,学习变形]:从特殊到一般,

对于给出的递推数列,在没有找到更好方法之前,通常可以用特殊值法开路,写出前几项,先归纳,再猜想一般的规律。

(a_1=a),由递推公式(a_{n+1}+(-1)^ncdot a_n=2n-1)

分别令(n=1,2,3,4,cdots),则有

(a_2=1+a)(a_3=2-a)(a_4=7-a)(a_5=a)

(a_6=9+a)(a_7=2-a)(a_8=15-a)(a_9=a)(cdots)

于是可知,(a_{4k-3}=a)(a_{4k-2}=a+(8k-7))(a_{4k-1}=2-a)(a_{4k}=-a+(8k-1))[2]

所以,(a_{4k-3}+a_{4k-2}+a_{4k-1}+a_{4k}=16k-6)

可知每连续四项之和成等差数列,

(S_{60}=cfrac{15[10+(16 imes 15-6)]}{2}=1830)

思路3[摘编自网络,学习变形]:分类讨论,

本题目的难点在于((-1)^n),于是对其分类讨论,并进行适当的构造以及并项。

(n)为奇数时,(a_{n+1}-a_n=2n-1)

(n)为偶数时,(a_{n+1}+a_n=2n-1)

于是(a_{4k}+a_{4k-1}+a_{4k-2}+a_{4k-3}=(a_{4k}-a_{4k-1})+2(a_{4k-1}+a_{4k-2})-(a_{4k-2}-a_{4k-3}))[3]

(=[2(4k-1)-1]+2[2(4k-2)-1]-[2(4k-3)-1]=16k-6)

可知每连续四项之和成等差数列,

(S_{60}=cfrac{15[10+(16 imes 15-6)]}{2}=1830)

思路4[摘编自网络,学习变形]:利用迭代法,

对于给出的递推数列问题,应该关注三个技巧----迭加、迭乘、迭代。特别是迭代法,它是直接反复利用递推公式而进行迭代,可以直接运用,从而使得问题得以解决。

(a_{n+1}+(-1)^ncdot a_n=2n-1)得到[用(n+1)替换左式中的(n)],(a_{n+2}+(-1)^{n+1}cdot a_{n+1}=2(n+1)-1)

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

(=(-1)^{n}cdot a_{n+1}+2n+1) [将已知式改写为(a_{n+1}=(-1)^{n+1}a_n+2n-1),代入左式,得到下式]

(=(-1)^n[(-1)^{n+1}a_n+2n-1]+2n+1)

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

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

也有(a_{n+3}+a_{n+1}=-(-1)^{n}(2n+1)+2n+3)[让上式中(n+1 ightarrow n)得到]

两式相加得到(a_n+a_{n+1}+a_{n+2}+a_{n+3}=-2(-1)^n+4n+4)

(k)为整数[或令(n=4k+1)],则

(a_{4k+1}+a_{4k+2}+a_{4k+3}+a_{4k+4}=-2(-1)^{4k+1}+4(4k+1)+4=16k+10)

于是(S_{60}=sumlimits_{k=0}^{14}{(a_{4k+1}+a_{4k+2}+a_{4k+3}+a_{4k+4})})[4]

(=sumlimits_{k=0}^{14}{(16k+10)}=(16 imes 0+10)+(16 imes 1+10)+(16 imes 2+10)+cdots+(16 imes 14+10))

(=16 imes cfrac{(0+14) imes 15}{2}+150=1830)

思路5[摘编自网络,学习变形]:构造子数列法,

({a_n})既不是等差数列也不是等比数列,但是可以发现其子数列({a_{4k}})({a_{4k-1}})({a_{4k-2}})({a_{4k-3}})是等差数列,于是可对数列({a_n})分项击破,

(n)为奇数时,(a_{n+1}-a_n=2n-1)

(n)为偶数时,(a_{n+1}+a_n=2n-1)

(a_{4k+2}-a_{4k-2}=(a_{4k+2}-a_{4k+1})+(a_{4k+1}+a_{4k})-(a_{4k}-a_{4k-1})-(a_{4k-1}+a_{4k-2}))[5]

(=[2(4k+1)-1]+(2 imes 4k-1)-[2(4k-1)-1]-[2(4k-2)-1]=8)

故数列(a_{4k-2})是等差数列,公差为(8),首项为(a_2),所以(a_{4k-2}=a_2+(k-1)8)

(a_{4k+4}-a_{4k}=(a_{4k+4}-a_{4k+3})+(a_{4k+3}+a_{4k+2})-(a_{4k+2}-a_{4k+1})-(a_{4k+1}+a_{4k}))[6]

(=[2(4k+3)-1]+[2(4k+2)-1)-[2(4k+1)-1]-[2 imes 4k-1]=8)

故数列(a_{4k})是等差数列,公差为(8),首项为(a_4),所以(a_{4k}=a_4+(k-1)8)[7]

同理,(a_{4k+1}-a_{4k-3}=0),故数列({a_{4k-3}})是常数列,故(a_{4k-3}=a_1)

(a_{4k+3}-a_{4k-1}=0),故数列({a_{4k-1}})是常数列,故(a_{4k-1}=a_3)

(a_1+a_2+a_3+a_4=(a_4-a_3)+2(a_3+a_2)-(a_2-a_1))

(=(2 imes 3-1)+2(2 imes 2-1)-(2 imes 1-1)=5+6-1=10);

于是({a_n})的前(60)项的和(S_{60})

(S_{60}=(a_1+a_5+a_9+cdots+a_{57})+(a_2+a_6+a_{10}+cdots+a_{58}))[8]

(+(a_3+a_7+a_{11}+cdots+a_{59})+(a_4+a_8+a_{12}+cdots+a_{60}))

(=15a_1+(15a_2+840)+15a_3+(15a_4+840))

(=15(a_1+a_2+a_3+a_4)+1680=1830)

思路6[摘编自网络,学习变形]:构造等差数列法,

由上述解法不难看出,本题目的实质是连续四项的和成等差数列,故还可以如下求解:

(n)为奇数时,(a_{n+1}-a_n=2n-1)

(n)为偶数时,(a_{n+1}+a_n=2n-1)

(a_{4k+2}-a_{4k-2}=(a_{4k+2}-a_{4k+1})+(a_{4k+1}-a_{4k})-(a_{4k}-a_{4k-1})-(a_{4k-1}+a_{4k-2}))

(=[2(4k+1)-1]+(2 imes 4k-1)-[2(4k-1)-1]-[2(4k-2)-1]=8)

故数列(a_{4k-2})是等差数列,公差为(8),首项为(a_2),所以(a_{4k-2}=a_2+(k-1)8)

(a_{4k+4}-a_{4k}=(a_{4k+4}-a_{4k+3})+(a_{4k+3}+a_{4k+2})-(a_{4k+2}-a_{4k+1})-(a_{4k+1}+a_{4k}))

(=[2(4k+3)-1]+[2(4k+2)-1)-[2(4k+1)-1]-[2 imes 4k-1]=8)

故数列(a_{4k})是等差数列,公差为(8),首项为(a_4),所以(a_{4k}=a_4+(k-1)8)

同理,(a_{4k+1}-a_{4k-3}=0),故数列({a_{4k-3}})是常数列,故(a_{4k-3}=a_1)

(a_{4k+3}-a_{4k-1}=0),故数列({a_{4k-1}})是常数列,故(a_{4k-1}=a_3)

则数列(b_{n+1}=a_{4n+1}+a_{4n+2}+a_{4n+3}+a_{4n+4})

(=a_{4n-3}+a_{4n-2}+a_{4n-1}+a_{4n}+16=b_n+16)[9]

(b_{n+1}-b_n=16),又(b_1=a_1+a_2+a_3+a_4=10)

则数列({b_n})是首项为(10),公差为(16)的等差数列,

则则(S_{60}=cfrac{15[10+(16 imes 15-6)]}{2}=1830)


  1. [解释:(a_{(n+1)+1}+(-1)^{n+1}a_{n+1}=2(n+1)-1)] ↩︎

  2. 对数列的下标详细说明如下,
    所有正整数若除以(4),就会分为四类,余数分别为(0)(1)(2)(3)
    我们可以将其表达为(4k)(4k+1)(4k+2)(4k+3),此时(kin N)
    还可以这样表达为(4k-3)(4k-2)(4k-1)(4k),此时(kin N^*)
    (a_{4k-3})表达的是(a_1)(a_5)(a_9)(cdots)
    (a_{4k-2})表达的是(a_2)(a_6)(a_{10})(cdots)
    (a_{4k-1})表达的是(a_3)(a_7)(a_{11})(cdots)
    (a_{4k})表达的是(a_4)(a_8)(a_{12})(cdots)↩︎

  3. 上述变形很有特点,这样变形的目的,既要保证恒等变形,还要充分利用上述的条件;
    比如变形((a_{4k}-a_{4k-1}))意味着偶数项减去奇数项,即可以利用(a_{n+1}-a_n=2n-1)
    故有((a_{4k}-a_{4k-1})=2(4k-1)-1),其余都同理; ↩︎

  4. 由于下标的表示形式,故求和时只能从(0 ightarrow 14),不能是(1 ightarrow 15),否则求和会丢掉前面的四项而多算了后面的四项。 ↩︎

  5. [此处用(a_{4k+2}-a_{4k-2}),是为了求公差;由于前一项为(a_{4k-2}),则其后一项为(a_{4(k+1)-1}=a_{4k+2});同时紧接着的变形既要保证恒等变形还要有效利用上述条件]; ↩︎

  6. [此处用(a_{4k+4}-a_{4k}),是为了求公差;由于前一项为(a_{4k}),则其后一项为(a_{4(k+1)}=a_{4k+4});同时紧接着的变形既要保证恒等变形还要有效利用上述条件]; ↩︎

  7. 等差数列通项公式的拓展:(a_n=a_m+(n-m)d)
    此处可以这样理解,数列的公差为(8),首项为(a_4),自然能写出(a_4+(k-1)8),关键是和(a_{?})对应;
    我们知道这个数列的首项应该是(a_4),故下标应该用(4k)来表达,故(a_{4k}=a_4+(k-1)8)
    或者这样理解,从原来的母数列中间隔(4)项挑出来的项所组成的新数列的公差为(8),那么回归到母数列里面,
    相当于原来母数列的公差为(2)[当然母数列不是等差数列],这样(a_{4k}=a_4+(4k-4) imes 2=a_4+(k-1)8)
    而不是(a_{4k}=a_4+(4k-4)8);其他同理; ↩︎

  8. 第二组子数列求和,首项是(a_2),公差为(8),项数为(15)项,故(S_{2}=15a_2+cfrac{15(15-1)}{2} imes 8=15a_2+840). ↩︎

  9. (b_{n+1}=a_{4n+1}+a_{4n+2}+a_{4n+3}+a_{4n+4}),用(n-1)替换左式中的(n)
    则得到(b_{n}=a_{4n-3}+a_{4n-2}+a_{4n-1}+a_{4n}),故有(b_{n+1}-b_n=16)↩︎

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