本题导读

本题考查等差数列与等比数列的通项公式。核心在于基本量法、构造法 / 分析法的灵活运用。

📌【题干】

Question

(2022年天津卷) 设 是等差数列, 是等比数列,。

(1)求 与 的通项公式;

(2)设 的前 项和为 ,求证:;

(3)求 的值。

🔍【思路分析】

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  1. 第一问(求通项):根据 是等差数列、 是等比数列的性质,将已知条件全部转化为基本量(首项 、公差 、公比 )的方程组,解方程组即可。

  2. 第二问(等式证明):

    • 思路一(分析法):利用等比数列的递推关系 将等式右边化简,提取公因式 ,从而将证明转化为关于 及其前 项和 的恒等式证明,即证 。

    • 思路二(直接代入法):先根据(1)的结论求出 的具体表达式,分别代入等式左边和右边,化简后证明两边相等。

  3. 第三问(数列求和):由于求和式中含有 ,这提示我们需要根据奇偶性进行分组求和。将相邻两项(第 项和第 项)结为一组进行合并化简。化简后会得到一个形如“等差 等比”的新数列,最后利用错位相减法求和即可。

✅【答案】

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(1) 证明见解析

(2)

✍【详细解析】

Abstract

(1)求 与 的通项公式

设等差数列 的公差为 ,等比数列 的公比为 。

则 ,。

已知 ,

由 得:。

由 得:。

将 代入 ,得 。

解得 或 。

因为 是等比数列,所以 ,故 。

从而 。

所以:

a_n = 1 + (n-1) \times 2 = 2n - 1$$$$b_n = 1 \times 2^{n-1} = 2^{n-1}

(2)证明等式

证法一(分析法推导):

由(1)知 且 。

要证:

即证:

即证:

两边同除以 得,即证:

移项化简,即证:。

根据数列前 项和的定义,对于任意数列均有 成立。

故原等式成立。

证法二(直接代入计算):

由(1)知 ,所以 。

则 ,。

等式左边 = 。

等式右边 =

。

左边 = 右边,等式得证。

(3)求

设 ,我们需要求前 项和。

利用分组求和,将第 项和第 项分为一组(其中 ):

c_{2m-1} + c_{2m} = \left[a_{2m} - (-1)^{2m-1}a_{2m-1}\right]b_{2m-1} + \left[a_{2m+1} - (-1)^{2m}a_{2m}\right]b_{2m}$$$$= (a_{2m} + a_{2m-1})b_{2m-1} + (a_{2m+1} - a_{2m})b_{2m}

将 , 代入:

,,。

,。

所以,

第一部分:。

第二部分:。

故 。

因此,原式求和转化为:

利用错位相减法求 :

T_n = 2 \cdot 4^1 + 4 \cdot 4^2 + 6 \cdot 4^3 + \dots + 2n \cdot 4^n \quad \cdots ①$$$$4T_n = \qquad \quad \;\; 2 \cdot 4^2 + 4 \cdot 4^3 + \dots + 2(n-1) \cdot 4^n + 2n \cdot 4^{n+1} \quad \cdots ②

①式减去②式,得:

-3T_n = 2 \cdot 4^1 + 2 \cdot 4^2 + 2 \cdot 4^3 + \dots + 2 \cdot 4^n - 2n \cdot 4^{n+1}$$$$-3T_n = 8 + \frac{32(1 - 4^{n-1})}{1 - 4} - 2n \cdot 4^{n+1}$$$$-3T_n = 8 - \frac{32}{3} + \frac{32}{3} \cdot 4^{n-1} - 2n \cdot 4^{n+1}$$$$-3T_n = -\frac{8}{3} + \frac{2}{3} \cdot 4^{n+1} - \frac{6n}{3} \cdot 4^{n+1}$$$$-3T_n = \frac{-8 + (2 - 6n)4^{n+1}}{3}

两边同除以 ,解得:

即所求结果为 。

等差、等比数列的概念及其通项公式、前项和公式是本题的主要考查点。这些知识点属于新课程标准对数列内容的基本要求。

  • 第(1)问 考查考生借助基本量(首项和公差/公比)求解方程组的能力,内容基础且形式熟悉。

  • 第(2)问 无论选择代数变形(分析法)还是代入计算法,都能较好地考查考生的逻辑思维与代数推演能力,解题思路多样。

  • 第(3)问 区分度较高,要求考生具备良好的观察力,识别出的奇偶交替特征,通过合理的分组化简后,再准确运用错位相减法。此问能够很好地区分不同层次考生的计算功底和综合应用能力。

💡【考点归纳与避坑指南】

Danger

  1. “基本量法”是解决数列问题的基石:遇到等差、等比数列的混合问题,首选方案通常是设出基本量(首项 ,公差 ,公比 ),将所有已知条件转化为关于这几个基本量的方程(组)。只要方程列得对,通过代数消元即可破题。

  2. 警惕含 的数列求和:当通项公式或求和表达式中出现 或类似交替变号的项时,分组求和法是标准处理手段。通常的做法是将相邻的两项(奇数项与偶数项)合并为一组,化简后再观察新数列的特征。

  3. “错位相减法”的易错点突破:

    • 错位对齐:在写出式①和式②时,务必将指数相同的项上下对齐,这样相减时才不易漏项或算错系数。

    • 端点处理:相减后,通常中间部分会形成一个新的等比数列求和,但第一项和**最后一项(减去的尾项)**往往需要单独处理,这是最容易出错的地方。

    • 项数确认:在对中间生成的等比数列使用求和公式时,一定要准确判断项数,切忌死记硬背公式,要根据实际的首末项来确定。

  4. 数列恒等式的证明技巧:证明关于数列的等式,核心是“统一变量”。要么将所有项都转化为通项 进行化简,要么利用 将问题纯粹化为关于前 项和 的关系式。

📖【试题探源与推广】

Tip

  1. 试题探源:待补

  2. 结论推广:待补

🔗【关联脉络】

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