专题04 数列求和及综合应用【要点提炼】1.常用公式:12+22+32+42+…+n 2=n (n +1)(2n +1)6.2.(1)数列通项a n 与前n 项和S n 的关系为a n =⎩⎨⎧S 1 (n =1),S n -S n -1 (n ≥2).(2)应用a n 与S n 的关系式f (a n ,S n )=0时,应特别注意n =1时的情况,防止产生错误. 3.数列求和(1)分组转化法:一个数列既不是等差数列,也不是等比数列,若将这个数列适当拆开,重新组合,就会变成几个可以求和的部分,分别求和,然后再合并. (2)错位相减法:主要用于求数列{a n ·b n }的前n 项和,其中{a n },{b n }分别是等差数列和等比数列.(3)裂项相消法:即将数列的通项分成两个式子的代数差的形式,然后通过累加抵消中间若干项的方法,裂项相消法适用于形如⎩⎪⎨⎪⎧⎭⎪⎬⎪⎫c a n a n +1(其中{a n }是各项均不为零的等差数列,c 为常数)的数列.温馨提醒 裂项求和时,易把系数写成它的倒数或忘记系数导致错误. 4.数列与函数、不等式的交汇数列与函数的综合问题一般是利用函数作为背景,给出数列所满足的条件,通常利用点在曲线上给出S n 的表达式,还有以曲线上的切点为背景的问题,解决这类问题的关键在于利用数列与函数的对应关系,将条件进行准确的转化.数列与不等式的综合问题一般以数列为载体,考查不等关系或恒成立问题.考点一 数列求和及综合应用考向一 a n 与S n 的关系问题【典例1】 设数列{a n }的前n 项和为S n ,对任意的正整数n ,都有a n =5S n +1成立,b n =-1-log 2|a n |,数列{b n }的前n 项和为T n ,c n =b n +1T n T n +1. (1)求数列{a n }的通项公式;(2)求数列{c n }的前n 项和A n ,并求出A n 的最值.解 (1)因为a n =5S n +1,n ∈N *, 所以a n +1=5S n +1+1, 两式相减,得a n +1=-14a n ,又当n =1时,a 1=5a 1+1,知a 1=-14, 所以数列{a n }是公比、首项均为-14的等比数列. 所以数列{a n }的通项公式a n =⎝ ⎛⎭⎪⎫-14n.(2)由(1)知b n =-1-log 2|a n |=2n -1, 数列{b n }的前n 项和T n =n 2, c n =b n +1T n T n +1=2n +1n 2(n +1)2=1n 2-1(n +1)2, 所以A n =1-1(n +1)2.因此{A n }是单调递增数列,∴当n =1时,A n 有最小值A 1=1-14=34;A n 没有最大值.探究提高 1.给出S n 与a n 的递推关系求a n ,常用思路是:一是利用S n -S n -1=a n (n ≥2)转化为a n 的递推关系,再求其通项公式;二是转化为S n 的递推关系,先求出S n 与n 之间的关系,再求a n .2.由S n 求a n 时,一定注意分n =1和n ≥2两种情况,最后验证两者是否能合为一个式子,若不能,则用分段形式来表示.【拓展练习1】 (2020·合肥检测)已知正项数列{a n }的前n 项和为S n ,满足a 2n =S n +S n -1(n ≥2),a 1=1. (1)求数列{a n }的通项公式;(2)设b n =(1-a n )2-a (1-a n ),若{b n }是递增数列,求实数a 的取值范围. 解 (1)a 2n =S n +S n -1(n ≥2), a 2n -1=S n -1+S n -2(n ≥3).相减可得a 2n -a 2n -1=a n +a n -1,∵a n >0,a n -1>0,∴a n -a n -1=1(n ≥3). 当n =2时,a 22=a 1+a 2+a 1,∴a 22=2+a 2,a 2>0,∴a 2=2. 因此n =2时,a n -a n -1=1成立. ∴数列{a n }是等差数列,公差为1. ∴a n =1+n -1=n .(2)b n =(1-a n )2-a (1-a n )=(n -1)2+a (n -1), ∵{b n }是递增数列,∴b n +1-b n =n 2+an -(n -1)2-a (n -1) =2n +a -1>0,即a >1-2n 恒成立,∴a >-1. ∴实数a 的取值范围是(-1,+∞). 考向二 数列求和 方法1 分组转化求和【典例2】 (2020·山东五地联考)已知等差数列{a n }的前n 项和为S n ,且满足关于x 的不等式a 1x 2-S 2x +2<0的解集为(1,2). (1)求数列{a n }的通项公式;(2)若数列{b n }满足b n =a 2n +2a n -1,求数列{b n }的前n 项和T n . 解 (1)设等差数列{a n }的公差为d ,因为关于x 的不等式a 1x 2-S 2x +2<0的解集为(1,2), 所以S 2a 1=1+2=3,得a 1=d ,又易知2a 1=2,所以a 1=1,d =1.所以数列{a n }的通项公式为a n =n . (2)由(1)可得,a 2n =2n ,2a n =2n .因为b n =a 2n +2a n -1,所以b n =2n -1+2n ,所以数列{b n }的前n 项和T n =(1+3+5+…+2n -1)+(2+22+23+…+2n ) =n (1+2n -1)2+2(1-2n )1-2=n 2+2n +1-2.探究提高 1.求解本题要过四关:(1)“转化”关,把不等式的解转化为方程根的问题;(2)“方程”关,利用方程思想求出基本量a 1及d ;(3)“分组求和”关,观察数列的通项公式,把数列分成几个可直接求和的数列;(4)“公式”关,会利用等差、等比数列的前n 项和公式求和.2.分组求和的策略:(1)根据等差、等比数列分组;(2)根据正号、负号分组.本题易忽视数列通项的下标如错得a 2n =n ,应注意“=”左右两边保持一致.【拓展练习2】 (2020·潍坊调研)设等差数列{a n }的前n 项和为S n ,且a 2=8,S 4=40.数列{b n }的前n 项和为T n ,且T n -2b n +3=0,n ∈N *. (1)求数列{a n },{b n }的通项公式;(2)设c n =⎩⎨⎧a n ,n 为奇数,b n ,n 为偶数,求数列{c n }的前n 项和P n .解 (1)设等差数列{a n }的公差为d , 由题意,得⎩⎨⎧a 1+d =8,4a 1+6d =40,解得⎩⎨⎧a 1=4,d =4,所以a n =4n , 因为T n -2b n +3=0,所以当n =1时,b 1=3,当n ≥2时,T n -1-2b n -1+3=0, 两式相减,得b n =2b n -1(n ≥2),则数列{b n }为首项为3,公比为2的等比数列, 所以b n =3·2n -1.(2)c n =⎩⎨⎧4n ,n 为奇数,3·2n -1,n 为偶数,当n 为偶数时,P n =(a 1+a 3+…+a n -1)+(b 2+b 4+…+b n ) =(4+4n -4)·n 22+6(1-4n2)1-4=2n +1+n 2-2.当n 为奇数时,法一 n -1(n ≥3)为偶数,P n =P n -1+c n =2(n -1)+1+(n -1)2-2+4n =2n +n 2+2n -1,n =1时符合上式.法二 P n =(a 1+a 3+…+a n -2+a n )+(b 2+b 4+…+b n -1) =(4+4n )·n +122+6(1-4n -12)1-4=2n +n 2+2n -1.所以P n =⎩⎨⎧2n +1+n 2-2,n 为偶数,2n +n 2+2n -1,n 为奇数.方法2 裂项相消求和【典例3】 (2020·江南六校调研)设数列{a n }的前n 项和为S n ,已知S 1=2,a n +1=S n +2.(1)证明:{a n }为等比数列; (2)记b n =log 2a n ,数列⎩⎪⎨⎪⎧⎭⎪⎬⎪⎫λb n b n +1的前n 项和为T n ,若T n ≥10恒成立,求λ的取值范围.(1)证明 由已知,得a 1=S 1=2,a 2=S 1+2=4, 当n ≥2时,a n =S n -1+2,所以a n +1-a n =(S n +2)-(S n -1+2)=a n , 所以a n +1=2a n (n ≥2).又a 2=2a 1,所以a n +1a n=2(n ∈N *),所以{a n }是首项为2,公比为2的等比数列. (2)解 由(1)可得a n =2n ,所以b n =n . 则λb n b n +1=λn (n +1)=λ⎝ ⎛⎭⎪⎫1n -1n +1, T n =λ⎝ ⎛⎭⎪⎫1-12+12-13+…+1n -1n +1=λ⎝ ⎛⎭⎪⎫1-1n +1,因为T n ≥10,所以λn n +1≥10,从而λ≥10(n +1)n ,因为10(n +1)n =10⎝ ⎛⎭⎪⎫1+1n ≤20, 所以λ的取值范围为[20,+∞).探究提高 1.裂项相消求和就是将数列中的每一项裂成两项或多项,使这些裂开的项出现有规律的相互抵消,要注意消去了哪些项,保留了哪些项.2.消项规律:消项后前边剩几项,后边就剩几项,前边剩第几项,后边就剩倒数第几项.【拓展练习3】 设数列{a n }满足a 1+3a 2+…+(2n -1)a n =2n . (1)求{a n }的通项公式;(2)求数列⎩⎪⎨⎪⎧⎭⎪⎬⎪⎫a n 2n +1的前n 项和.解 (1)因为a 1+3a 2+…+(2n -1)a n =2n ,① 故当n ≥2时,a 1+3a 2+…+(2n -3)a n -1=2(n -1),② ①-②得(2n -1)a n =2,所以a n =22n -1,又n =1时,a 1=2适合上式,从而{a n }的通项公式为a n =22n -1.(2)记⎩⎪⎨⎪⎧⎭⎪⎬⎪⎫a n 2n +1的前n 项和为S n ,由(1)知a n 2n +1=2(2n -1)(2n +1)=12n -1-12n +1,则S n =⎝ ⎛⎭⎪⎫1-13+⎝ ⎛⎭⎪⎫13-15+…+⎝ ⎛⎭⎪⎫12n -1-12n +1=1-12n +1=2n2n +1.方法3 错位相减法求和【典例4】 (2020·济南统测)在①a 3=5,a 2+a 5=6b 2,②b 2=2,a 3+a 4=3b 3,③S 3=9,a 4+a 5=8b 2这三个条件中任选一个,补充至横线上,并解答问题. 已知等差数列{a n }的公差为d (d >1),前n 项和为S n ,等比数列{b n }的公比为q ,且a 1=b 1,d =q ,________. (1)求数列{a n },{b n }的通项公式; (2)记c n =a nb n,求数列{c n }的前n 项和T n .(注:如果选择多个条件分别解答,按第一个解答计分) 解 选条件①.(1)∵a 3=5,a 2+a 5=6b 2,a 1=b 1,d =q ,d >1, ∴⎩⎨⎧a 1+2d =5,2a 1+5d =6a 1d ,解得⎩⎨⎧a 1=1,d =2或⎩⎪⎨⎪⎧a 1=256,d =512(舍去).∴⎩⎨⎧b 1=1,q =2.∴a n =a 1+(n -1)d =2n -1,b n =b 1q n -1=2n -1. (2)∵c n =a n b n,∴c n =2n -12n -1=(2n -1)×⎝ ⎛⎭⎪⎫12n -1.∴T n =1+3×12+5×⎝ ⎛⎭⎪⎫122+…+(2n -3)×⎝ ⎛⎭⎪⎫12n -2+(2n -1)×⎝ ⎛⎭⎪⎫12n -1,12T n =12+3×⎝ ⎛⎭⎪⎫122+5×⎝ ⎛⎭⎪⎫123+…+(2n -3)×⎝ ⎛⎭⎪⎫12n -1+(2n -1)×⎝ ⎛⎭⎪⎫12n. 上面两式相减,得12T n =1+2⎣⎢⎡⎦⎥⎤12+⎝ ⎛⎭⎪⎫122+…+⎝ ⎛⎭⎪⎫12n -1-(2n -1)×⎝ ⎛⎭⎪⎫12n=1+2×12⎣⎢⎡⎦⎥⎤1-⎝ ⎛⎭⎪⎫12n -11-12-(2n -1)×⎝ ⎛⎭⎪⎫12n =3-(2n +3)×⎝ ⎛⎭⎪⎫12n. ∴T n =6-(2n +3)×⎝ ⎛⎭⎪⎫12n -1.选条件②.(1)∵b 2=2,a 3+a 4=3b 3,a 1=b 1,d =q ,d >1, ∴⎩⎨⎧a 1d =2,2a 1+5d =3a 1d 2,即⎩⎨⎧a 1d =2,2a 1+5d =6d , 解得⎩⎨⎧a 1=1,d =2或⎩⎨⎧a 1=-1,d =-2(舍去).∴⎩⎨⎧b 1=1,q =2. ∴a n =a 1+(n -1)d =2n -1,b n =b 1q n -1=2n -1. (2)∵c n =a n b n,∴c n =2n -12n -1=(2n -1)×⎝ ⎛⎭⎪⎫12n -1.∴T n =1+3×12+5×⎝ ⎛⎭⎪⎫122+…+(2n -3)×⎝ ⎛⎭⎪⎫12n -2+(2n -1)×⎝ ⎛⎭⎪⎫12n -1,12T n =12+3×⎝ ⎛⎭⎪⎫122+5×⎝ ⎛⎭⎪⎫123+…+(2n -3)×⎝ ⎛⎭⎪⎫12n -1+(2n -1)×⎝ ⎛⎭⎪⎫12n. 上面两式相减,得12T n =1+2⎣⎢⎡⎦⎥⎤12+⎝ ⎛⎭⎪⎫122+…+⎝ ⎛⎭⎪⎫12n -1-(2n -1)×⎝ ⎛⎭⎪⎫12n=1+2×12⎣⎢⎡⎦⎥⎤1-⎝ ⎛⎭⎪⎫12n -11-12-(2n -1)×⎝ ⎛⎭⎪⎫12n =3-(2n +3)×⎝ ⎛⎭⎪⎫12n . ∴T n =6-(2n +3)×⎝ ⎛⎭⎪⎫12n -1.选条件③.(1)∵S 3=9,a 4+a 5=8b 2,a 1=b 1,d =q ,d >1,∴⎩⎨⎧a 1+d =3,2a 1+7d =8a 1d ,解得⎩⎨⎧a 1=1,d =2或⎩⎪⎨⎪⎧a 1=218,d =38(舍去),∴⎩⎨⎧b 1=1,q =2.∴a n =a 1+(n -1)d =2n -1,b n =b 1q n -1=2n -1. (2)∵c n =a n b n,∴c n =2n -12n -1=(2n -1)×⎝ ⎛⎭⎪⎫12n -1.∴T n =1+3×12+5×⎝ ⎛⎭⎪⎫122+…+(2n -3)×⎝ ⎛⎭⎪⎫12n -2+(2n -1)×⎝ ⎛⎭⎪⎫12n -1,12T n =12+3×⎝ ⎛⎭⎪⎫122+5×⎝ ⎛⎭⎪⎫123+…+(2n -3)×⎝ ⎛⎭⎪⎫12n -1+(2n -1)×⎝ ⎛⎭⎪⎫12n. 上面两式相减,得12T n =1+2⎣⎢⎡⎦⎥⎤12+⎝ ⎛⎭⎪⎫122+…+⎝ ⎛⎭⎪⎫12n -1-(2n -1)×⎝ ⎛⎭⎪⎫12n=1+2×12⎣⎢⎡⎦⎥⎤1-⎝ ⎛⎭⎪⎫12n -11-12-(2n -1)×⎝ ⎛⎭⎪⎫12n =3-(2n +3)×⎝ ⎛⎭⎪⎫12n . ∴T n =6-(2n +3)×⎝ ⎛⎭⎪⎫12n -1.探究提高 1.一般地,如果数列{a n }是等差数列,{b n }是等比数列,求数列{a n ·b n }的前n 项和时,可采用错位相减法求和,一般是和式两边同乘以等比数列{b n }的公比,然后作差求解.2.在写“S n ”与“qS n ”的表达式时应特别注意将两式“错项对齐”,以便下一步准确地写出“S n -qS n ”的表达式.【拓展练习4】 (2020·潍坊模拟)在①b 2n =2b n +1,②a 2=b 1+b 2,③b 1,b 2,b 4成等比数列这三个条件中选择符合题意的两个条件,补充在下面的问题中,并求解.已知数列{a n }中,a 1=1,a n +1=3a n .公差不等于0的等差数列{b n }满足________,求数列⎩⎨⎧⎭⎬⎫b n a n 的前n 项和S n .(注:如果选择多个条件分别解答,按第一个解答计分) 解 因为a 1=1,a n +1=3a n ,所以{a n }是以1为首项,3为公比的等比数列, 所以a n =3n -1.选①②时,设数列{b n }的公差为d 1. 因为a 2=3,所以b 1+b 2=3(ⅰ).因为b 2n =2b n +1,所以当n =1时,b 2=2b 1+1(ⅱ). 由(ⅰ)(ⅱ)解得b 1=23,b 2=73,所以d 1=53,所以b n =5n -33.所以b n a n=5n -33n .所以S n =b 1a 1+b 2a 2+…+b n a n =231+732+1233+…+5n -33n ,所以13S n =232+733+1234+…+5n -83n +5n -33n +1.上面两式相减,得23S n =23+5⎝ ⎛⎭⎪⎫132+133+…+13n -5n -33n +1 =23+56-152×3n +1-5n -33n +1=32-10n +92×3n +1.所以S n =94-10n +94×3n .选②③时,设数列{b n }的公差为d 2.因为a 2=3,所以b 1+b 2=3,即2b 1+d 2=3.因为b 1,b 2,b 4成等比数列,所以b 22=b 1b 4,即(b 1+d 2)2=b 1(b 1+3d 2),化简得d 22=b 1d 2.因为d 2≠0,所以b 1=d 2,从而d 2=b 1=1,所以b n =n . 所以b n a n =n 3n -1.所以S n =b 1a 1+b 2a 2+…+b n a n =130+231+332+…+n3n -1,所以13S n =131+232+333+…+n -13n -1+n 3n .上面两式相减,得23S n =1+131+132+133+…+13n -1-n 3n=32⎝ ⎛⎭⎪⎫1-13n -n 3n =32-2n +32×3n . 所以S n =94-2n +34×3n -1.选①③时,设数列{b n }的公差为d 3.因为b 2n =2b n +1,所以b 2=2b 1+1,所以d 3=b 1+1.又因为b 1,b 2,b 4成等比数列,所以b 22=b 1b 4,即(b 1+d 3)2=b 1(b 1+3d 3),化简得d 23=b 1d 3.因为d 3≠0,所以b 1=d 3,无解,所以等差数列{b n }不存在.故不合题意.考向三 与数列相关的综合问题【典例5】 (2020·杭州滨江区调研)设f (x )=12x 2+2x ,f ′(x )是y =f (x )的导函数,若数列{a n }满足a n +1=f ′(a n ),且首项a 1=1. (1)求数列{a n }的通项公式;(2)数列{a n }的前n 项和为S n ,等比数列{b n }中,b 1=a 1,b 2=a 2,数列{b n }的前n 项和为T n ,请写出适合条件T n ≤S n 的所有n 的值. 解 (1)由f (x )=12x 2+2x ,得f ′(x )=x +2. ∵a n +1=f ′(a n ),且a 1=1. ∴a n +1=a n +2,则a n +1-a n =2,因此数列{a n }是公差为2,首项为1的等差数列. ∴a n =1+2(n -1)=2n -1.(2)数列{a n }的前n 项和S n =n (1+2n -1)2=n 2,等比数列{b n }中,设公比为q ,∵b 1=a 1=1,b 2=a 2=3, ∴q =3.∴b n =3n -1,∴数列{b n }的前n 项和T n =1-3n 1-3=3n -12.T n ≤S n 可化为3n -12≤n 2.又n ∈N *,∴n =1,或n =2.故适合条件T n ≤S n 的所有n 的值为1和2.探究提高 1.求解数列与函数交汇问题要注意两点:(1)数列是一类特殊的函数,其定义域是正整数集(或它的有限子集),在求数列最值或不等关系时要特别注意;(2)解题时准确构造函数,利用函数性质时注意限制条件.2.数列为背景的不等式恒成立、不等式证明,多与数列的求和相联系,最后利用数列或数列对应函数的单调性处理.【拓展练习5】 已知数列{a n }与{b n }满足:a 1+a 2+a 3+…+a n =2b n (n ∈N *),若{a n }是各项为正数的等比数列,且a 1=2,b 3=b 2+4. (1)求数列{a n }与{b n }的通项公式; (2)若数列{c n }满足c n =a nb n b n +1(n ∈N *),T n 为数列{c n }的前n 项和,证明:T n <1. (1)解 由题意知,a 1+a 2+a 3+…+a n =2b n ,① 当n ≥2时,a 1+a 2+a 3+…+a n -1=2b n -1,② ①-②可得a n =2(b n -b n -1) ⇒a 3=2(b 3-b 2)=2×4=8,∵a 1=2,a n >0,设{a n }的公比为q , ∴a 1q 2=8⇒q =2,∴a n =2×2n -1=2n (n ∈N *). ∴2b n =21+22+23+ (2)=2(1-2n )1-2=2n +1-2,∴b n =2n -1(n ∈N *).(2)证明 由已知c n =a n b n ·b n +1=2n(2n -1)(2n +1-1)=12n -1-12n +1-1, ∴T n =c 1+c 2+…+c n=121-1-122-1+122-1-123-1+…+12n -1-12n +1-1=1-12n +1-1,当n ∈N *时,2n +1>1,∴12n +1-1>0,∴1-12n +1-1<1,故T n <1.【专题拓展练习】一、单选题1.已知数列{}n a 满足()2*11n n n a a a n N+=-+∈,设12111n nS a a a =+++,且10910231a S a -=-,则数列{}n a 的首项1a 的值为( )A .23 B .1C .32D .22.已知在数列{}n a 中,14a =,26a =,且当2n ≥时,149n n a a +=-,若n T 为数列{}n b 的前n 项和,19(3)n n n n a b a a +-=⋅,则当175(3)()8n n a T λ+=-⋅-为整数时,n λ=( )A .6B .12C .20D .243.设n S 为数列{}n a 的前n 项和,*()(11),2n n n n S a n N -+=∈,则数列{}n S 的前7项和为( )A .1256-B .85256-C .11024-D .3411024-4.若()()*12coscos cos cos5555n n n S n ππππ-=++++∈N ,则1S 、2S、、2020S 中值为0的共有( ) A .202个B .404个C .606个D .808个5.已知数列{}n a 为等差数列,首项为2,公差为3,数列{}n b 为等比数列,首项为2,公比为2,设n n b c a =,n T 为数列{}n c 的前n 项和,则当2020n T <时,n 的最大值是( ) A .8B .9C .10D .116.已知数列{}n a 满足123232n n a a a na ++++=,设1(1)2nn n a b n -=+,n S 为数列{}n b 的前n 项和.若t n S <对任意n *∈N 恒成立,则实数t 的最小值为( ) A .1B .2C .32D .527.已知数列{}n a 的前n 项和为n S ,满足2n S an bn =+,(,a b 均为常数),且72a π=.设函数2()sin 22cos 2xf x x =+,记()n n y f a =,则数列{}n y 的前13项和为( ) A .132πB .7πC .7D .138.公元1202年列昂那多·斐波那契(意大利著名数学家)以兔子繁殖为例,引入“兔子数列”{}n a :1,1,2,3,5,8,13,21,34,55,……,即11a =,21a =,()*12,2n n n a a a n n --=+∈>N ,此数列在现代物理、化学等学科都有着十分广泛的应用。