为什么说数列是特殊的函数

前言

函数特性

既然是按照一定的次序排列而成的一列数字,那么这些数字((a_n))自然就是次序(n)的函数,所以我们学习数列时,首先就应该从函数的角度体会这个特殊的数学素材,即(a_n=f(n))。不过和以前我们学习的函数有点不一样,比如(f(x)=2x^2-3x+1,xin [-2,16]),其图像是区间([-2,16])上的连续曲线,没有间断的,而数列(a_n=2n^2-3n+1),她的图像是一些离散的点,这些点并不能连成曲线,原因是自变量(n)的取值不是连续取值,意思是当(n=3)后,只能取(n=4),不能取(n=3.01)(n=3.5)等这些值。

特殊之处

其特殊性体现在以下几个方面:

其一、定义域比较特殊,数列的定义域是正整数集(N^*)或者正整数集的有限子集({1,2,3,cdots,n}),注意数列中没有(a_0)项;

其二、以比较特殊的数列为例,比如二次型的数列的最值和二次函数不一样;

其三、以比较特殊的数列为例,比如二次型的数列的单调性和二次函数不一样;

典例剖析

已知(a>0),数列({a_n})满足(a_n=egin{cases}(3-a)n-3,nleq 7 \ a^{n-6},n>7 end{cases}),数列({a_n})是单调递增数列,求(a)的取值范围。

考点:数列的单调性,分段函数,数列与分段函数的交汇

分析:由题目可知,(egin{cases} 3-a>0,\ a>1,\ (3-a)7-3<a^{8-6},end{cases}),解得:(ain(2,3))

感悟反思:1、如果是一般的函数(f(x)),则比较点(A)和点(C)的函数值的大小关系;现在是分段数列,那么我们需要比较的是点(A)和点(B)的函数值的大小关系;

已知(a>0),函数(f(x))满足(f(x)=egin{cases} (3-a)x-3 &xleq 7 \ a^{x-6} &x>7 end{cases}),函数(f(x))(R)上单调递增,求(a)的取值范围。

分析:由题目可知,(egin{cases} &3-a>0 ① \ &a>1 ②\ &(3-a)7-3leq a^{7-6}③end{cases});即(egin{cases}&a<3 \ &a>1 \ &age cfrac{9}{4}end{cases})

解得:(ain[cfrac{9}{4},3))

反思:1、本题目常犯的错误是缺少第三条的限制;学生常认为函数在两段上分别单调递增,则在整体定义域(R)上一定单调递增,这个认知是错误的。原因是前者是后者的必要不充分条件。

2、防错秘籍:既要保证每段上的单调性,还要保证转折点处的单调性。

已知数列({a_n})中,(a_n=n^2-kn(kin N)),且({a_n})单调递增,则(k)的取值范围为【 】

$A.(-infty,2]$ $B.(-infty,3)$ $C.(-infty,2)$ $D.(-infty,3]$

考点:数列的单调性,二次函数的对称性和单调性,恒成立命题

【法1】:利用数列单调性的一般定义求解;

由于(a_n=n^2-kn(nin N^*)),且({a_n})单调递增,

所以(a_{n+1}-a_n>0)(forall nin N*)都成立,

(a_{n+1}-a_n=(n+1)^2-k(n+1)-n^2+kn=2n+1-k),所以由(2n+1-k>0)

(k<2n+1)恒成立,可知(k<(2n+1)_{min}=3).

【法2】:借助数列对应的二次函数独特性质,如对称性和单调性求解

(a_n=(n-cfrac{k}{2})^2-cfrac{k^2}{4}),其对称轴是(n=cfrac{k}{2})

要使得({a_n})单调递增,

则必须且只需(cfrac{k}{2}<cfrac{3}{2}),解得(k<3),故选B。

【法3】:使用导数法求解,

(a_n=f(n)=n^2-kn)为单调递增数列,则(f'(n)ge 0)(nin N^*)上恒成立,

(f'(n)=2n-kge 0)(nin N^*)上恒成立,分离参数得到,

(kleq 2n)(nin N^*)上恒成立,即(kleq (2n)_{min}=2)

(kleq 2)。这个解法是错误的。

【错因分析】:若数列(a_n=f(n))单调递增,但函数(y=f(x))不一定单调递增;但是若函数(y=f(x))单调递增,则其对应的数列(a_n=f(n))必然单调递增。

感悟反思:1、法1转化为恒成立问题,很好理解;2、法2很容易错解为 (cfrac{k}{2}<1),故(k<2),其实这是充分不必要条件,也就是说遗漏了一部分的解集,可以看看上面的图像解释。

已知数列({a_n})满足 (a_{n+1}=a_n+2n),且(a_1=33),则(cfrac{a_n}{n})的最小值为 【 】

$A.21$ $B.10$ $C.cfrac{21}{2}$ $D.cfrac{17}{2}$

考点:数列的单调性,对勾函数的单调性,

分析:选 C。由已知条件可知,当(nge 2) 时,

(a_n=a_1+(a_2-a_1)+(a_3-a_2)+cdots+(a_n-a_{n-1})=33+2+4+…+2(n-1))

(=n^2-n+33), 又(n=1)时,(a_1=33),满足此式。

所以(cfrac{a_n}{n} =n+cfrac{33}{n} -1)

(f(n)=cfrac{a_n}{n}=n+cfrac{33}{n} -1),则(f(n))([1,5])上为减函数,

([6,+infty))上为增函数,又(f(5)=cfrac{53}{5})(f(6)=cfrac{21}{2}),则(f(5)>f(6)),故(f(n)=cfrac{a_n}{n})的最小值为(cfrac{21}{2})

感悟反思:1、对勾函数的单调性我们必须掌握的非常清楚。2、参考阅读对勾函数

已知等比数列({a_n})的前(n)项和为(S_n=acdot 2^{n-1}+cfrac{1}{6}),则(a)的值为 【 】

$A.-cfrac{1}{3}$ $B.cfrac{1}{3}$ $C.-cfrac{1}{2}$ $D.cfrac{1}{2}$

考点:等比数列的前(n)项和的性质,数列的函数特性

分析:选 A.

法1:当(nge 2) 时,(a_n=S_n-S_{n-1}=acdot 2^{n-1}-acdot 2^{n-2}=acdot 2^{n-2},)

(n=1)时,(a_1=S_1=a+cfrac{1}{6})

又由于(n=2)时,(a_2=acdot 2^{2-2}=a),公比为(q=cfrac{a_n}{a_{n-1}}=2),故(a_1=cfrac{a}{2})

所以(a+cfrac{1}{6}=cfrac{a}{2}),所以(a=-cfrac{1}{3})。选 A.

法2:将(S_n=acdot 2^{n-1}+cfrac{1}{6})变形为(S_n=cfrac{1}{2}acdot 2^n+cfrac{1}{6})
由引例可知,(cfrac{1}{2}a+cfrac{1}{6}=0),解得(a=-cfrac{1}{3})。选 A.

感悟反思:1、等比数列的前(n)项和的性质引申:

【引例】已知等比数列的前(n)项和(S_n=rcdot 2^n-1),则(r=1)

原因分析:由于等比数列的前(n)项和(S_n=cfrac{a(1-q^n)}{1-q}=cfrac{a}{1-q} imes(1-q^n))

如果令(cfrac{a}{1-q}=-c),则等比数列的前(n)项和(S_n=cq^n-c).由此可得,题目中的(r=1).

已知(a_n=cfrac{n-4}{n-frac{9}{2}}),求数列({a_n})的最小项和最大项;

分析:我们依托数列所对应的函数(f(x)=cfrac{x-4}{x-frac{9}{2}}=cfrac{2x-8}{2x-9}=cfrac{2x-9+1}{2x-9}=1+cfrac{1}{2x-9})

做出其图像,其对称中心为点((4.5,1))

由图可知,当(nleqslant 4)时,数列({a_n})单调递减,且有(1>a_1>a_2>a_3>a_4)

(ngeqslant 5)时,数列({a_n})单调递减,且有(a_5>a_6>a_7>cdots > 1)

故数列({a_n})的最小项为(a_4),最大项为(a_5)

已知数列({a_n})的通项为(a_n=(n+1)(cfrac{10}{11})^n)(nin N^*)

①求证:数列({a_n})先递增后递减;

证明:由于(a_n=(n+1)(cfrac{10}{11})^n),则(cfrac{a_{n+1}}{a_n}=cfrac{10}{11}(1+cfrac{1}{n+1}))

而函数(cfrac{a_{n+1}}{a_n}=cfrac{10}{11}(1+cfrac{1}{n+1}))是单调递减的,

(cfrac{10}{11}(1+cfrac{1}{n+1})=1),解得(n=9),即(a_9=a_{10})

(cfrac{10}{11}(1+cfrac{1}{n+1})>1),解得(n<9),即当(nleqslant 8)时,(a_{n+1}>a_n)

(cfrac{10}{11}(1+cfrac{1}{n+1})<1),解得(n>9),即当(ngeqslant 10)时,(a_{n+1}<a_n)

故数列({a_n})先递增,后递减;

②求数列({a_n})的最大项;

分析:由上述分析可知,(a_1<a_2<a_3<cdots<a_8<a_9=a_{10}>a_{11}>a_{12}>a_{13}>cdots)

故最大项为(a_9=a_{10});

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