几个重要的特殊数列
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基础知识
1.斐波那契数列
莱昂纳多
![]() 假设一对兔子每隔一个月生一对一雌一雄的小兔子,每对小兔子在两个月以后也开始生一对一雌一雄的小兔子,每月一次,如此下去。年初时兔房里放一对大兔子,问一年以后,兔房内共有多少对兔子?
这就是非常著名的斐波那契数列问题。其实这个问题的解决并不是很困难,可以用
![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() 现在就有了这个问题:这个数列的通项公式如何去求?为了解决这个问题,我们先来看一种求递归数列通项公式的求法——特征根法。
特征根法:设二阶常系数线性齐次递推式为
![]() ![]() ![]() (1)若特征方程有两个不相等的实根
![]() ![]() ![]() (2)若特征方程有两个相等的实根
![]() ![]() ![]() 因此对于斐波那契数列
![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() 所以
![]() 这个数列就是著名的斐波那契数列的通项公式。斐波那契数列有许多生要有趣的性质,如:
它的通项公式是以无理数的形式给出的,但用它计算出的每一项却都是整数。斐波那契数列在数学竞赛的组合数学与数论中有较为广泛地应用。为了方便大家学习这一数列,我们给出以下性质:(请同学们自己证明)
(1)斐波那契数列的前
![]() ![]() (2)
![]() (3)
![]() ![]() (4)
![]() ![]() (5)
![]() ![]() 2.分群数列
将给定的一个数列{
![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() 一般地,数列{
![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() 值得注意的是一个数列可以得到不同的分群数列。如对数列{
![]() 第
![]() ![]() ![]() ![]() ![]() 第
![]() ![]() ![]() ![]() ![]() 3.周期数列
对于数列{
![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() 周期数列主要有以下性质:
(1)周期数列是无穷数列,其值域是有限集;
(2)周期数列必有最小正周期(这一点与周期函数不同);
(3)如果T是数列{
![]() ![]() ![]() ![]() (4)如果T是数列{
![]() ![]() ![]() ![]() (5)已知数列{
![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() (6)设数列{
![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() (7)任一
![]() 4.阶差数列
对于一个给定的数列{
![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() 如果某一数列的
![]() ![]() 高阶等差数列具有以下性质:
(1)如果数列{
![]() ![]() ![]() (2)数列{
![]() ![]() ![]() ![]() ![]() (3)如果数列{
![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() 高阶等差数列中最常见的问题是求通项公式以及前
![]() (1)逐差法:其出发点是
![]() (2)待定系数法:在已知阶数的等差数列中,其通项
![]() (3)裂项相消法:其出发点是an能写成
![]() (4)化归法:把高阶等差数列的问题转化为易求的同阶等差数列或低阶等差数列的问题,达到简化的目的
设数列{
![]() ![]() ![]() ![]() ![]() 0阶等比数列就是我们通常所说的等比数列,一阶及二阶以上的等比数列,统称为高阶等比数列。
典例分析
例1.数列
![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() (2005年上海竞赛试题)
解:记
![]() ![]() 注意到
![]() ![]() 因此,Sn+2除以8的余数,完全由Sn+1、Sn除以8的余数确定
![]() ![]() ![]() 故当且仅当
![]() 例2.设
![]() ![]() ![]() ![]() 分析:这道题目的证法很多,下面我们给出借助于斐波那契数列证明的两种方法。
方法一:利用斐波那契数列作过渡证明。
设
![]() ![]() ![]() 假设
![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() 作数列
![]() ![]() ![]() ![]() 现用数学归纳法证明下述两式成立:
![]() ![]() 因为
![]() ![]() 假设当
![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() 这样(2)(3)两式对于
![]() ![]() ![]() 方法二:由
![]() ![]() ![]() 设
![]() ![]() ![]() 假设
![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() 所以
![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() 令
![]() ![]() ![]() 因为
![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() 当
![]() 设
![]() ![]() ![]() ![]() 即当
![]() 从上述证明可知,对一切正整数
![]() ![]() ![]() 例3.将等差数列{
![]() ![]() ![]() ![]() 解:由于
![]() ![]() ![]() 现将数轴正向分成一系列长为60的区间段:(0,+?)=(0,60]∪(60,120]∪(120,180]∪…,注意第一个区间段中含有{
![]() 即3,7,11,15,19,23,27,31,35,39,43,47,51,55,59.其中属于{
![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() 于是每个区间段中恰有15个{
![]() ![]() 且有
![]() ![]() 所以
![]() 例4.将正奇数集合
![]() ![]() ![]() 解:需要写出第n组的第1个数与最后一个数,1991介于其中,而第n组的最后一个数为
![]() 第n组的第一个数即第n-1组的最后一个数后面的奇数,为[2(n-1)2-1]+2=2(n-1)2+1。由题意知2(n-1)2+1
![]() ![]() 解得(n-1)2
![]() ![]() ![]() ![]() ![]() 例5.设等差数列
![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() 试问
![]() ![]() 解:设
![]() ![]() ![]() ![]() 所以
![]() ![]() ![]() 解此方程组得:
![]() ![]() 因为
![]() ![]() ![]() ![]() 因此,
![]() ![]() ![]() ![]() 因为第
![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() 例6.设奇数数列:1,3,5,7,9…… (1) 按2,3,2,3……的个数分群如下:
(1,3),(5,7,9),(11,13),(15,17,19),……(2)
(I)试问数列(1)中的2007是分群数列(2)中的第几群中的第几个元素?
(II)求第
![]() 解:(I)将数列(1)重新分群,按每个群含5个元素的方式分群:
(1,3,5,7,9),(11,13,15,17,19),……(3)
由于2007排在(1)中的第1004个,因此2007是分群数列(3)中的第201群中的第4个元素。对照分群数列(2)与(3),容易知道(3)中的第201个群的第4个元素是数列(2)中的第402个群中的第2个元素,所以2007是分群数列(2)中第402群中的第2个元素。
(II)对
![]() 若
![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() 若
![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() 例7.数列
![]() ![]() ![]() ![]() 试证明:
![]() 证明:数列
![]() ![]() ![]() ![]() 1,1,0,1,0,1,1,0,0,1,0,0,0,1,1,1;1,1,0,1,0,1,1,0,0,1,0,0,0,1,1,1;…且
![]() ![]() 由于数列
![]() ![]() ![]() 可见
![]() ![]() 而
![]() ![]() ![]() 于是
![]() ![]() ![]() 由于偶数的平方能被4整除,奇数的平方被4除余1,由此命题得证。
例8.已知
![]() ![]() ![]() ![]() ![]() 证明:方法一:由题设中的递推关系,知
![]() ![]() ![]() 假设存在
![]() ![]() ![]() ![]() ![]() 由于
![]() ![]() ![]() ![]() 方法二:由于该数列不是周期数列,但模4后得到的数列是周期数列,从开头的几项1,2,7,29,22,23,49,26,-17,……模4后得1,2,3,1,2,3,1,2,3,……发现这是一个周期为3的周期数列。
设
![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() 所以
![]() 或
![]() 因此,将数列每一项模4后,余数成周期数列,周期为3,因此
![]() 例9.一个三阶等差数列{an}的前4项依次为30,72,140,240,求其通项公式
解:由性质(2),an是n的三次多项式,可设an=An3+Bn2+Cn+D
由a1=30、a2=72、a3=140、a4=240得
![]() ![]() 所以an=n3+7n2+14n+8
例10.对于任一实数序列A={a1,a2,a3,…},定义
![]() ![]() ![]() 解:设序列
![]() ![]() ![]() 显然an是关于n的二次多项式,首项等比数列为
![]() 由于a19=a92=0,必有
![]() 方法二:由题意知,数列A是二阶等差数列,因面它的通项是关于
![]() ![]() ![]() ![]() ![]() 从而
![]() 解得
![]() ![]() ![]() 针对练习:(主要是阶差数列的练习)
1.数列{an}的二阶差数列的各项均为16,且a63=a89=10,求a51
解:法一:显然{an}的二阶差数列{bn}是公差为16的等差数列,设其首项为a,则bn=a+(n-1)×16,于是an= a1+
![]() =a1+(n-1)a+8(n-1)(n-2)
这是一个关于n的二次多项式,其中n2的系数为8,由于a63=a89=10,所以
an=8(n-63)(n-89)+10,从而a51=8(51-63)(51-89)+10=3658
解:法二:由题意,数列{an}是二阶等差数列,故其通项是n的二次多项式,又a63=a89=10,故可设an=A(n-63)(n-89)+10
由于{an}是二阶差数列的各项均为16,所以(a3-a2)-(a2-a1)=16
即a3-2a2+a1=16,所以
A(3-63)(3-89)+10-2[A(2-63)(2-89)+10]+A(1-63)×(1-89)+10=16
解得:A=8
an=8(n-63)(n-89)+10,从而a51=8(51-63)(51-89)+10=3658
2.求和:Sn=1×3×22+2×4×32+…+n(n+2)(n+1)2
解:Sn是是数列{n(n+2)(n+1)2}的前n项和,
因为an=n(n+2)(n+1)2是关于n的四次多项式,所以{an}是四阶等差数列,于是Sn是关于n的五次多项式
k(k+2)(k+1)2=k(k+1)(k+2)(k+3)-2k(k+1)(k+2),故求Sn可转化为求
Kn=
![]() ![]() k(k+1)(k+2)(k+3)=
![]() Kn=
![]() ![]() Tn=
![]() ![]() 从而Sn=Kn-2Tn=
![]() 3.已知整数列{an}适合条件:
(1)an+2=3an+1-3an+an-1,n=2,3,4,…
(2)2a2=a1+a3-2
(3)a5-a4=9,a1=1
求数列{an}的前n项和Sn
解:设bn=an+1-an,Cn=bn+1-bn
Cn=bn+1-bn=(an+2-an+1)-( an+1-an)=an+2-2an+1+an=(3an+1-3an+an-1) -2an+1+an=an+1-2an+an-1
=Cn-1 (n=2,3,4,…)
所以{ Cn}是常数列
由条件(2)得C1=2,则{an}是二阶等差数列
因此an=a1+
![]() 由条件(3)知b4=9,从而b1=3,于是an=n2
![]() 4.求证:二阶等差数列的通项公式为
![]() 证明:设{an}的一阶差数列为{bn},二阶差数列为{cn},由于{an}是二阶等差数列,故{cn}为常数列。
又c1=b2-b1=a3-2a2+a1
![]() ![]() 5.求数列1,3+5+7,9+11+13+15+17,…的通项
解:问题等价于:将正奇数1,3,5,…按照“第n个组含有2n-1个数”的规则分组:
(1)、(3,5,7)、(9,11,13,15,17),… 然后求第n组中各数之和an
依分组规则,第n组中的数恰好构成以2为公差的项数为2n-1的等差数列,因而确定了第n组中正中央这一项,然后乘以(2n-1)即得an
将每一组的正中央一项依次写出得数列:1,5,13,25,…这个数列恰为一个二阶等差数列,不难求其通项为2n2-2n+1,故第n组正中央的那一项为2n2-2n+1,从而
an=(2n-2n+1)(2n-1)
6.数列{an}的二阶差数列是等比数列,且a1=5,a2=6,a3=9,a4=16,求{an}的通项公式
解:易算出{an}的二阶差数列{cn}是以2为首项,2为公比的等比数列,则cn=2n,
{an}的一阶差数列设为{bn},则b1=1且
![]() 从而
![]() 7.设有边长为1米的正方形纸一张,若将这张纸剪成一边长为别为1厘米、3厘米、…、(2n-1)厘米的正方形,愉好是n个而不剩余纸,这可能吗?
解:原问题即是是否存在正整数n,使得12+32+…+(2n-1)2=1002
由于12+32+…+(2n-1)2=[12+22+…+(2n)2]-[22+42+…+(2n)2]=
![]() ![]() ![]() 故不存在…
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最新推荐文章于 2020-05-24 23:22:04 发布