等差數列的概念和性質


相關概念

刻畫等差數列的幾種語言

[自然語言]:從第二項起,每一項與它的前一項的差等於同一個常數的數列稱為等差數列,這個常數稱為公差,常用\(d\)來表示。

[符號語言]:

\[a_n-a_{n-1}=d(n\geqslant 2,n\in N^*,d為常數) \]

或者表示為

\[a_{n+1}-a_n=d(n\geqslant 1,n\in N^*,d為常數) \]

[圖形語言]:以\(a_n=2n+1\)為例,

  • 等差中項:若\(a,A,b\)成等差數列,則\(A\)稱為\(a\)\(b\)的等差中項,即\(A=\cfrac{a+b}{2}\),任意兩個實數必有等差中項,但任意兩個實數不一定有等比中項。

  • 通項公式\(a_n\)\(a_n=a_1+(n-1)d\),其推廣式:\(a_n=a_m+(n-m)d\)[1]

  • \(n\)項和公式\(S_n\)\(S_n=\cfrac{n(a_1+a_n)}{2}=na_1+\cfrac{n(n-1)\cdot d}{2}\),注意這兩個公式是等價的。

相關性質

①等差數列中,若\(m+n=p+q=2k(m,n,p,q,k\in N^*)\),則\(a_m+a_n=a_p+ a_q=2a_k\)

②若數列\(\{a_n\}\)\(\{b_n\}\)[前提是項數相同]是等差數列,則\(\{\lambda a_n\}\)\(\{a_n+b_n\}\)\(\{a_n-b_n\}\)\(\{pa_n+qb_n\}\)(\(p,q\)為常數)仍然是等差數列;[2]解釋

③在等差數列\(\{a_n\}\)中,等距離取出若干項也構成一個等差數列,即\(a_m,a_{m+k},a_{m+2k},a_{m+3k},\cdots\)為等差數列,公差為\(kd\)[3]

④等差數列\(\{a_n\}\)的前\(n\)項和為\(S_n\),則\(S_n,S_{2n}-S_n,S_{3n}-S_{2n},\cdots ,\)仍成等差數列,但是同樣的刻畫形式,到了等比數列中,就有了一定的限制。

⑤等差數列的求和公式的應用:\(S_{2n-1}=(2n-1)\cdot a_n\)\(S_{2n}=n(a_1+a_{2n})=\cdots=n(a_n+a_{n+1})\)[4]

⑥等差數列的單調性,從函數的角度理解和認知很容易。

\[a_n=a_1+(n-1)d=d\cdot n+(a_1-d) \]

\(a_n=f(n)\)\(n\)的仿一次函數,其單調性完全取決於公差\(d\)

\(d>0\)\(a_n\)單調遞增;

\(d<0\)\(a_n\)單調遞減;

\(d=0\)\(a_n\)為常數列,無單調性;

⑦若數列\(\{a_n\}\)為等差數列,則數列\(\{\cfrac{S_n}{n}\}\)也為等差數列;

分析:由於等差數列的\(S_n=na_1+\cfrac{n(n-1)\cdot d}{2}=\cfrac{d}{2}n^2+(a_1-\cfrac{d}{2})n\)

\(\cfrac{d}{2}=A\)\((a_1-\cfrac{d}{2})=B\),則可以表示為\(S_n=An^2+Bn(A\neq 0)\)

\(S_n\)是關於\(n\)的仿二次函數[若\(d=0\),則\(A=0\),此時\(S_n\)為一次函數,對應數列為常數列],且其常數項為零;

\(\cfrac{S_n}{n}=An+B\)[此時為仿一次函數],則數列\(\{\cfrac{S_n}{n}\}\)也為等差數列;

⑧兩個等差數列\(\{a_n\}\)\(\{b_n\}\)的前\(n\)項和分別為\(S_n\)\(T_n\),則有\(\cfrac{S_{2n-1}}{T_{2n-1}}=\cfrac{a_n}{b_n}\)[5]

⑨若等差數列\(\{a_n\}\)滿足\(a_n>0\),則可知\(d\ge 0\);可知\(S_n>0\),且數列\(\{S_n\}\)是單調遞增數列;[6]

若等差數列\(\{a_n\}\)滿足\(S_n>0\),則可知\(d\ge 0\),也可知\(a_n>0\)[7]

判斷證明

  • 等差數列的證明方法[證明方法比判斷方法的邏輯嚴謹性要求更高]:

➊定義法:\(a_{n+1}-a_n=d(n\in N^*)\)\(d\)為常數;或\(a_{n}-a_{n-1}=d(n\geqslant 2且 n\in N^*)\)\(d\)為常數;

➋等差中項法:\(2a_{n+1}=a_n+a_{n-1}\)\((n\ge 2,n\in N^*)\);或\(2a_{n+1}=a_n+a_{n+2}\)\((n\ge 1,n\in N^*)\)

  • 等差數列的判斷方法:除了定義法和等差中項法外,還有

➌通項公式法:\(a_n=a_1+(n-1)d=dn+(a_1-d)=kn+b\),(\(k,b\)為常數),故\(a_n\)\(n\)的仿一次函數;

➍前\(n\)項和法:\(S_n=na_1+\cfrac{n(n-1)\cdot d}{2}=\cfrac{d}{2}n^2+(a_1-\cfrac{d}{2})n=An^2+Bn\),故\(S_n\)\(n\)的仿二次函數;

運算技巧

① 數列的項數的計算

\(a_n=a_1+(n-1)\cdot d\),可得項數\(n=\cfrac{a_n-a_1}{d}+1\),推廣得到項數\(n=\cfrac{a_n-a_m}{d}+m\)

如數列\(2^1,2^3,2^5,\cdots ,2^{2n-1}\)的項數的計算,其項數可以利用上標來計算,其上標剛好成等差數列,

項數\(r=\cfrac{a_n-a_1}{d}+1=\cfrac{(2n-1)-1}{3-1}+1=n\)

  • 比如區間\((9^{m-1}+\cfrac{8}{9},9^{2m-1}+\cfrac{8}{9})\)有幾個整數?

在上述區間的第一個整數是\(9^{m-1}+1\),最后一個整數為\(9^{2m-1}\),公差為\(1\)

故所求個數為\(\cfrac{9^{2m-1}-(9^{m-1}+1)}{1}+1=9^{2m-1}-9^{m-1}\)

② 約分技巧

當題目中出現\(a_n>0\),或者正項數列,則涉及方程或者不等式的運算中十之八九要約分,要么約掉\(a_n\),或者約掉\(a_{n+1}+a_n\)。如題目中有\((a_{n+1}+a_n)(a_{n+1}-a_n)=2(a_{n+1}+a_n)\)\(a_n>0\);由此得到\(a_{n+1}-a_n=2\)

③在\(\Delta ABC\)中,三個內角\(A、B、C\)成等差數列,則\(B=\cfrac{\pi}{3}\)。三條邊成等差數列,則\(3n,4n,5n\)就是一個特例,可以考慮賦值法。

④ 當下標比較小的時候,直接計算比變形求解要來的快。注意恰當的數學方法選擇策略,防止思維定勢。

比如在數列\(\{a_n\}\)中,\(a_1=3\)\(a_{n+1}=\cfrac{3a_n}{a_n+3}\),求\(a_4\)的值,

法1:由\(a_1=3\)和遞推公式\(a_{n+1}=\cfrac{3a_n}{a_n+3}\),直接計算\(a_2\)\(a_3\)\(a_4\),速度要快的多。

法2:先利用倒數法求的通項公式\(a_n\),再計算\(a_4\),要比法1的思路慢一些。

⑤設元技巧

當題目已知三個數成等差數列時,我們常常依次設三個數為\(a-d\)\(a\)\(a+d\),這樣設元的優越性在於其和為\(3a\),如果題目恰好已知了其和的值,則中間的數立馬可知,這樣變量就剩下一個\(d\)了;當已知五個數成等差數列時,常設為\(a-2d\)\(a-d\)\(a\)\(a+d\)\(a+2d\)

給出方式

  • 直接給出:\(a_{n+1}-a_n=3\)

  • 賦值給出:\(a_{n+m}=a_n+ a_m\)\(a_1=2\),求通項公式\(a_n\)[8]

  • 變形給出:\(S_{n+1}=S_n+a_n+3\),即\(a_{n+1}-a_n=3\)

  • 變形給出:點\((a_{n+1},a_n)\)在直線\(x-y-3=0\)上,則\(a_{n+1}-a_n=3\)

  • 運算給出:\((a_{n+1}+a_n)(a_{n+1}-a_n)=2(a_{n+1}+a_n)\)\(a_n>0\)

  • 向量給出:\(\overrightarrow{P_nP_{n+1}}=(1,a_{n+1}-a_n)=(1,3)\)

  • 構造給出:

引例,如\((n+1)a_n=na_{n+1}\),構造得到,\(\cfrac{a_{n+1}}{n+1}=\cfrac{a_n}{n}\),即\(\cfrac{a_{n+1}}{n+1}-\cfrac{a_n}{n}=0\),即數列\(\{\cfrac{a_n}{n}\}\)為等差數列[常數列];

引例如\((n+1)a_{n+1}=na_n\),構造得到,\((n+1)a_{n+1}-na_n=0\),即數列\(\{n\cdot a_n\}\)為常數列;

其他請參閱數列的常見構造方法

典例剖析

已知等差數列\(\{a_n\}\)\(\{b_n\}\),滿足\(a_1+b_{10}=9\)\(a_3+b_8=15\),則\(a_5+b_6\)=______________.

分析:由已知得到,\(a_3+b_8=\cfrac{2a_3+2b_8}{2}\)

\(=\cfrac{(a_1+a_5)+(b_{10}+b_6)}{2}=\cfrac{(a_1+b_{10})+(a_5+b_6)}{2}\)

\(15=\cfrac{9+(a_5+b_6)}{2}\),解得\(a_5+b_6=21\)

由正數組成的等差數列\(\{a_n\}\)\(\{b_n\}\)的前\(n\)項和分別為\(S_n\)\(T_n\),且\(\cfrac{a_n}{b_n}=\cfrac{2n-1}{3n-1}\),則\(\cfrac{S_5}{T_5}\)=______________。

分析:\(\cfrac{S_5}{T_5}=\cfrac{5a_3}{5b_3}=\cfrac{a_3}{b_3}=\cfrac{2\times 3-1}{3\times 3-1}=\cfrac{5}{8}\)

在等差數列\(\{a_n\}\)中,\(a_1=-2018\),其前\(n\)項和為\(S_n\),若\(\cfrac{S_{12}}{12}-\cfrac{S_{10}}{10}=2\),則\(S_{2018}\)的值等於【】

$A.-2018$ $B.-2016$ $C.-2019$ $D.-2017$

分析:由題意可知,數列\(\{\cfrac{S_n}{n}\}\)為等差數列,由\(\cfrac{S_{12}}{12}-\cfrac{S_{10}}{10}=2\),可知其公差為\(1\)

\(\cfrac{S_{2018}}{2018}=\cfrac{S_1}{1}+(2018-1)\times 1=-2018+2017=-1\)

\(S_{2018}=-2018\)。故選\(A\)

【2014高考全國卷Ⅰ】已知數列\(\{a_n\}\)的前\(n\)項和為\(S_n\)\(a_1=1\)\(a_n\neq 0\)\(a_na_{n+1}=\lambda S_n-1\),其中\(\lambda\)為常數,

(1)證明:\(a_{n+2}-a_n=\lambda\)

分析:先想辦法消掉\(S_n\)類,讓條件中只剩下\(a_n\)類,故求解如下:

由題設知道,\(a_na_{n+1}=\lambda S_n-1\)①,

則有\(a_{n+1}a_{n+2}=\lambda S_{n+1}-1\)②,

②-①得到,\(a_{n+1}a_{n+2}-a_na_{n+1}=\lambda(S_{n+1}-S_n)\)

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

由於\(a_{n+1}\neq 0\),約掉\(a_{n+1}\)得到,

\(a_{n+2}-a_n=\lambda\)

【注意】上式表明,數列\(\{a_n\}\)中,奇數項成等差數列,首項為\(a_1\),公差為\(\lambda\)

偶數項成等差數列,首項為\(a_2\),公差為\(\lambda\)

(2)是否存在\(\lambda\),使得\(\{a_n\}\)為等差數列,並說明理由。

分析:存在滿足題意的實數\(\lambda\),使得數列\(\{a_n\}\)成等差數列,理由如下:

由題設可知,\(a_1=1\),令\(n=1\),則\(a_1a_2=\lambda S_1-1\),解得\(a_2=\lambda-1\)

又由\(a_{n+2}-a_n=\lambda\)可知,當\(n=1\)時,\(a_3=\lambda+1\)

\(2a_2=a_1+a_3\),即\(2(\lambda-1)=1+\lambda+1\),解得\(\lambda=4\)

\(a_{n+2}-a_n=4\),且可知

數列\(\{a_{2n-1}\}\)是首項為\(a_1=1\),公差為\(4\)的等差數列,\(a_{2n-1}=4n-3\)

\(a_{2n-1}=1+\cfrac{[(2n-1)-1]}{2}\times 4=4n-3=2(2n-1)-1\)

數列\(\{a_{2n}\}\)是首項為\(a_2=3\),公差為\(4\)的等差數列,\(a_{2n}=4n-1\)

\(a_{2n}=3+\cfrac{(2n-2)}{2}\times 4=4n-1=2(2n)-1\)

所以\(a_n=2n-1\)\(n\in N^*\),即\(a_{n+1}-a_n=2\)[9]

因此存在滿足題意的實數\(\lambda\),使得數列\(\{a_n\}\)成等差數列。

【2018•鳳中模擬】【考點:數列的單調性,二次函數的對稱性和單調性,恆成立命題】 已知數列\(\{a_n\}\)中,\(a_n=n^2-kn(k\in N)\),且\(\{a_n\}\)單調遞增,則\(k\)的取值范圍為【 】

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

【法1】、由於\(a_n=n^2-kn(n\in N^*)\),且\(\{a_n\}\)單調遞增,

所以\(a_{n+1}-a_n>0\)\(\forall n\in N*\)都成立,

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

\(k<2n+1\)恆成立,可知\(k<(2n+1)_{min}=3\).

【法2】:借助二次函數的對稱性和單調性,

\(a_n=(n-\cfrac{k}{2})^2-\cfrac{k^2}{4}\),其對稱軸是\(n=\cfrac{k}{2}\)

要使得\(\{a_n\}\)單調遞增,

則必須且只需\(\cfrac{k}{2}<\cfrac{3}{2}\),解得\(k<3\),故選\(B\)

【法3】:嘗試導數法。

\(a_n=f(n)=n^2-kn\)為單調遞增數列,則\(f'(n)\ge 0\)\(n\in N^*\)上恆成立,

\(f'(n)=2n-k\ge 0\)\(n\in N^*\)上恆成立,分離參數得到,

\(k\leq 2n\)\(n\in N^*\)上恆成立,即\(k\leq (2n)_{min}=2\)

\(k\leq 2\)。這個解法是錯誤的。

錯因分析:數列\(a_n=f(n)\)單調遞增,但函數\(y=f(x)\)不一定單調遞增,

但是若函數\(y=f(x)\)單調遞增,則其對應的數列\(a_n=f(n)\)必然單調遞增。

感悟反思:

1、法1轉化為恆成立問題,很好理解;

2、法2很容易錯解為 \(\cfrac{k}{2}<1\),故\(k<2\),其實這是充分不必要條件,也就是說遺漏了一部分的解集,可以看看上面的圖像解釋。

3、數列\(\{a_n\}\)單調遞增的充要條件是\(a_{n+1}>a_n\),而不是\(f'(n)\ge 0\)恆成立。

【2019屆•高三理科數學課時作業】已知等差數列\(\{a_n\}\)的前\(n\)項和為\(S_n\),其中\(n\in N^*\),則下列命題錯誤的是【】

$A.若a_n>0,則S_n>0$
$B.若S_n>0,則a_n>0$
$C.若a_n>0,則\{S_n\}是單調遞增數列$
$D.若\{S_n\}是單調遞增數列,則a_n>0$

分析:選項\(A\):由於\(a_n>0\),由\(S_n=\cfrac{n(a_1+a_n)}{2}\)可得,\(S_n>0\),或由定義式可知\(S_n=a_1+a_2+\cdots+a_n>0\);而且由\(a_n>0\)能得到\(d\ge 0\),否則\(d<0\)就不能保證\(a_n>0\)。故選項\(A\)正確;

選項\(B\):由於\(S_n>0\),則可知\(d\ge 0\),否則不能保證\(S_n>0\)。這樣得到\(a_n=a_1+(n-1)d>0\),故選項\(B\)正確;

選項\(C\):由於\(a_n>0\),則可知\(d\ge 0\),可知數列\(\{S_n\}\)是單調遞增數列,故選項\(C\)正確;

選項\(D\):由數列\(\{-1,1,3,5,\cdots\}\)可知,\(S_1=-1\)\(S_2=0\)\(S_3=3\)\(S_4=8\),則數列\(\{S_n\}\)是單調遞增數列,但不能保證\(a_n>0\),故選項\(D\)不正確;

綜上所述,故選\(D\)

反思總結:若有\(a_n>0\),則即使數列不是等差數列,也必有\(S_n>0\),且有數列\(\{S_n\}\)是單調遞增數列。

【2019屆•高三理科數學課時作業】【2018廣東潮州二模】在我國古代著名的數學專著《九章算術》中有一段敘述:今有良馬與駑馬發長安至齊,齊去長安一千一百二十五里,良馬初日行一百零三里,日增一十三里;駑馬初日行九十七里,日減半里,良馬先至齊,復還迎駑馬,二馬相逢,問:幾日相逢?【】

$A.8日$ $B.9日$ $C.12日$ $D.16日$

分析:良馬日行構成等差數列\(\{a_n\}\),其中\(a_1=103\),公差\(d_1=13\),其前\(n\)項和為\(S_n\)

駑馬日行構成等差數列\(\{b_n\}\),其中\(b_1=97\),公差\(d_2=-\cfrac{1}{2}\),其前\(n\)項和為\(T_n\)

設兩馬\(n\)日能相逢,則由題可知,\(S_n+T_n=2\times 1125\),即\(103n+\cfrac{n(n-1)}{2}\times 13+97n+\cfrac{n(n-1)}{2} \times (-\cfrac{1}{2})=2250\)

解得\(n=9\),或者由上式直接驗證得到\(n=9\),故選\(B\)

【2018廣東中山期末】已知等差數列\(\{a_n\}\)的前\(n\)項和為\(S_n\)\(S_4=40\)\(S_n=210\)\(S_{n-4}=130\),則\(n\)=【】

$A.12$ $B.14$ $C.16$ $D.18$

法1:建立相應的方程組求解即可,只是運算可能復雜些;

法2:利用等差數列的性質,\(S_n-S_{n-4}=80\),即\(a_n+a_{n-1}+a_{n-2}+a_{n-3}=80\)

\(a_1+a_2+a_3+a_4=40\),兩式相加,得到\(4(a_1+a_n)=120\),即\(a_1+a_n=30\)

\(S_n=\cfrac{n(a_1+a_n)}{2}=210\),則\(n=14\),故選\(B\)

【數列的相關運算】已知數列\(\{a_n\}\)是等差數列,其前\(n\)項和為\(S_n\),已知\(S_6=42\)\(S_{12}=156\),求\(S_{18}\)的值。

【法1:以\(a_1\)\(d\)為元的方程組法】利用\(S_n=na_1+\cfrac{n(n-1)}{2}\times d\)得到,

\(\begin{cases}S_6=6a_1+15d=42\\S_{12}=12a_1+66d=156\end{cases}\),解得\(\begin{cases}a_1=2\\d=2\end{cases}\)

\(S_{18}=18a_1+\cfrac{18\times17}{2}\times 2=342\)

【法2:以\(a\)\(b\)為元的方程組法】由等差數列的性質知道,其前\(n\)項和公式可以寫成這樣:\(S_n=an^2+bn\)

由此得到,\(\begin{cases}S_6=36a+6b=42\\S_{12}=144a+12b=156\end{cases}\),解得\(\begin{cases}a=1\\b=1\end{cases}\)

\(S_{18}=1\times 18^2+1\times 18=342\)

【法3:等差數列性質,函數法】注意到\(\cfrac{S_n}{n}=an+b\),即表明數列\(\{\cfrac{S_n}{n}\}\)也是一個等差數列。

由於\(\cfrac{S_6}{6}\)\(\cfrac{S_{12}}{12}\)\(\cfrac{S_{18}}{18}\)分別是數列的第\(6,12,18\)項,故這三項也是成等差數列的,

則有$2\times\cfrac{S_{12}}{12}=\cfrac{S_6}{6}+\cfrac{S_{18}}{18} $,即$2\times\cfrac{156}{12}=\cfrac{42}{6}+\cfrac{S_{18}}{18} $,

解得\(S_{18}=342\)

【法4:等差數列性質法】由於\(S_6,S_{12}-S_6,S_{18}-S_{12}\)成等差數列,

故有\(2(S_{12}-S_6)=S_6+S_{18}-S_{12}\),即\(2(156-42)=42+S_{18}-156\)

解得\(S_{18}=3(156-42)=342\)

綜合應用

【絕對值數列求和】已知數列\(\{a_n\}\)的通項公式是\(a_n=3n-63\),它的前\(n\)項和為\(S_n\),求數列\(\{|a_n|\}\)的前\(n\)項和\(T_n\)

解析:令\(a_n=3n-63\leq 0\),則\(n\leq 21\)

故數列\(\{|a_n|\}\)的通項公式為\(|a_n|= \begin{cases}63-3n &n\leq 21 \\ 3n-63 &n\ge22 \end{cases}\)

[備注:由於數列的通項公式是分段函數,所以其前\(n\)項和自然也應該用分段函數來表達刻畫]

\(1^。\)\(n\leq 21\)\(T_n=|a_1|+|a_2|+\cdots+|a_n|\)

\(=-a_1-a_2-\cdots-a_n\)

\(=-\cfrac{(a_1+a_n)\times n}{2}\)

\(=-\cfrac{[-60+(3n-63)]\times n}{2}\)

\(=-\cfrac{3n^2-123n}{2}=\cfrac{123n-3n^2}{2}\).

\(2^。\)\(n\ge 22\)\(T_n=|a_1|+|a_2|+\cdots+|a_n|\)

\(=-a_1-a_2-\cdots-a_{21}+a_{22}+\cdots+a_n\)

\(=(a_1+a_2+\cdots+a_{21}+a_{22}+\cdots+a_n)-2(a_1+a_2+\cdots+a_{21})\)

\(=S_n-2S_{21}\)\(=\cfrac{[-60+(3n-63)]n}{2}-2\times\cfrac{[(3\times 1-63)+(3\times 21-63)]\times 21}{2}\)

$=\cfrac{3n^2-123n}{2}+1260 $.

故數列\(\{|a_n|\}\)的前\(n\)項和\(T_n=\begin{cases}\cfrac{123n-3n^2}{2} &n\leq 21 \\ \cfrac{3n^2-123n}{2}+1260 &n\ge 22\end{cases}\)

【2018四川內江一模】已知\(S_n\)是等差數列\(\{a_n\}\)的前\(n\)項和,\(a_1=1\)\(a_8=3a_3\),則\(\cfrac{a_2}{S_1S_2}+\cfrac{a_3}{S_2S_3}+\cfrac{a_4}{S_3S_4}+\cdots+\cfrac{a_{n+1}}{S_nS_{n+1}}\)=___________。

提示:\(d=2\)\(\cfrac{a_{n+1}}{S_n\cdot S_{n+1}}=\cfrac{S_{n+1}-S_{n}}{S_n\cdot S_{n+1}}=\cfrac{1}{S_n}-\cfrac{1}{S_{n+1}}\)

\(\cfrac{a_2}{S_1S_2}+\cfrac{a_3}{S_2S_3}+\cfrac{a_4}{S_3S_4}+\cdots+\cfrac{a_{n+1}}{S_nS_{n+1}}=1-\cfrac{1}{(n+1)^2}\)

【2019年高考數學試卷理科新課標Ⅱ第19題】已知數列\(\{a_n\}\)和數列\(\{b_n\}\)滿足\(a_1=1\)\(b_1=0\)\(4a_{n+1}=3a_n-b_n+4\)\(4b_{n+1}=3b_n-a_n-4\)

(1).證明:\(\{a_n+b_n\}\)是等比數列,\(\{a_n-b_n\}\)是等差數列,

分析:考查等差等比數列的證明方法(定義法和等差[比]中項法),以及整體意識或字母的內涵和方程思想。

解析:由題設可知\(4a_{n+1}=3a_n-b_n+4\)①,\(4b_{n+1}=3b_n-a_n-4\)②,

由①+②得到,\(4(a_{n+1}+b_{n+1})=2(a_n+b_n)\);即\(a_{n+1}+b_{n+1}=\cfrac{1}{2}(a_n+b_n)\)

又由於\(a_1+b_1=1\neq 0\),所以數列\(\{a_n+b_n\}\)是首項為\(1\),公比為\(\cfrac{1}{2}\)的等比數列;

由①-②得到,\(4(a_{n+1}-b_{n+1})=4(a_n-b_n)+8\);即\(a_{n+1}-b_{n+1}=a_n-b_n+2\)

又由於\(a_1-b_1=1\),所以數列\(\{a_n-b_n\}\)是首項為\(1\),公差為\(2\)的等差數列;

【注意細節】由\(a_{n+1}+b_{n+1}=\cfrac{1}{2}(a_n+b_n)\)不能得到\(\cfrac{a_{n+1}+b_{n+1}}{a_n+b_n}=\cfrac{1}{2}\),還需要條件\(a_1+b_1\neq 0\)的配合;

相關鏈接:對數列中\(a_n\)的內涵的理解

(2).求\(\{a_n\}\)\(\{b_n\}\)的通項公式;

分析:考察數列的通項公式的求法;

解析:由(1)分別寫出數列\(\{a_n+b_n\}\)和數列\(\{a_n-b_n\}\)的通項公式,

\(a_n+b_n=1\times (\cfrac{1}{2})^{n-1}=\cfrac{1}{2^{n-1}}\)③,\(a_n-b_n=1+(n-1)\times 2=2n-1\)④;

由③+④,變形整理得到,\(a_n=\cfrac{1}{2^n}+n-\cfrac{1}{2}\)\(n\in N^*\)

由③-④,變形整理得到,\(b_n=\cfrac{1}{2^n}-n+\cfrac{1}{2}\)\(n\in N^*\)

相關鏈接:1、求數列的通項公式;2、方程思想

  • 重新編輯於2020-07-23 by WangHai.

  1. 對公式的解讀,
    \(a_n=a_1+(n-1)d\),若定義相鄰兩項的差\(a_2-a_1\)為間隔距離[其實就是公差],則\(n-1\)意味着\(a_1\)\(a_n\)兩項之間的間隔距離數為\(n-1\)個,不能僅僅理解為對應的兩項的下標之差;否則在處理隔項取值得到的數列的通項公式的計算時,非常容易出錯,尤其要注意理解這一點。
    比如數列\(\{n\}\),我們知道,\(a_n=n\),那么其所有的奇數項構成的數列的通項公式如何寫呢?
    首先其下標應該體現奇數,故采用\(2n-1(n\geqslant1)\)[也可以取\(2n+1(n\geqslant -1)\),故一般不用這種形式],其次首項還是\(1\),末項為\(a_{2n-1}\),此時的公差變為\(2\)了,\(a_1\)\(a_{2n-1}\)兩項的間隔距離的個數變成了\(\cfrac{(2n-1)-1}{2}=n-1\)
    \(a_{2n-1}=1+\cfrac{(2n-1)-1}{2}\times 2=2n-1\) ↩︎

  2. 以數列\(\{pa_n+qb_n\}\)(\(p,q\)為常數)為例,說明如何判斷其為等差數列?
    設數列\(\{a_n\}\)\(\{b_n\}\)分別是公差為\(d_1\)\(d_2\)的等差數列,
    由於\((pa_{n+1}+qb_{n+1})-(pa_n+qb_n)=p(a_{n+1}-a_n)+q(b_{n+1}-b_n)=p\cdot d_1+q\cdot d_2\)
    由於\(p\cdot d_1+q\cdot d_2\)為常數,故數列\(\{pa_n+qb_n\}\)為等差數列,公差為\(p\cdot d_1+q\cdot d_2\)
    其他數列的判斷證明與此同理; ↩︎

  3. 由於\(a_m=a_1+(m-1)d\)\(a_{m+k}=a_1+(m+k-1)d\)
    則新數列的公差為\(a_{m+k}-a_m=kd\); ↩︎

  4. \(S_{2n-1}=\cfrac{(a_1+a_{2n-1})\times(2n-1)}{2}=\cfrac{2a_n\times(2n-1)}{2}=(2n-1)\cdot a_n\)
    \(S_{2n}=\cfrac{(a_1+a_{2n})\times 2n}{2}=n(a_1+a_{2n})=\cdots=n(a_n+a_{n+1})\)↩︎

  5. 證明如下:
    由於等差數列\(\{a_n\}\)\(\{b_n\}\)的前\(n\)項和分別為\(S_n\)\(T_n\)
    \(S_{2n-1}=(2n-1)a_n\)\(T_{2n-1}=(2n-1)b_n\)
    \(\cfrac{S_{2n-1}}{T_{2n-1}}=\cfrac{a_n}{b_n}\)↩︎

  6. 如果等差數列的公差\(d<0\),則此等差數列不論首項有多大,到最后一定會出現負數項,不滿足題意,故\(d\geqslant0\);由於\(S_n=na_1+\cfrac{n(n-1)}{2}\cdot d>0\),正數之和一定為正,並且只要是正數,則正數相加的個數越多,其和越大; ↩︎

  7. 由於\(S_n=An^2+Bn\),若\(A=0\),則\(d=0\),則滿足\(d\ge 0\),也可知\(a_n>0\)
    \(A\neq0\),則必有\(A>0\),即\(d>0\),否則二次函數開口向下,必然不滿足\(S_n>0\)
    又由於\(S_1=a_1>0\),故\(a_n=a_1+(n-1)d>0\)↩︎

  8. \(m=1\)得到\(a_{n+1}=a_n+ a_1\)
    \(a_{n+1}-a_n=a_1=2\),不就是等差數列嘛;
    \(a_n=2+(n-1)\times 2=2n\)↩︎

  9. 詳細說明如下:
    \(a_{2n-1}=2(2n-1)-1\)
    \(a_{2n}=2(2n)-1\)
    故合二為一得到,
    \(a_n=2n-1\)\(n\in N^*\),即\(a_{n+1}-a_n=2\)↩︎


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