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求数列的前n项和是高中数学的教学重点之一,但有些数列既非等差数列,又非等比数列,那么这些数列该怎样求和呢?下面举例说明这类数列求和的常用方法及解题策略。
一、公式法
如果是等差、等比数列可直接利用其求和公式求和,而有些特殊的常见数列则应记住其求和结果,以便于应用。
二、分组求和法
有些数列,通过合理分组,从而改变原数列的形式,转换成新数列,再利用公式法求和。
三、聚合法
有些数列表示形式复杂,每一项是若干个数的和,这时可先对其第n项求和,然后将和化简,改变原数列形式,从新组合后再求和,此法称为聚合法。
例1.列2,2+4,2+4+6,2+4+6+8,…,2+4+6+…+2n,…的前n项和。
解:由an=2+4+6+…+2n=n(n+1)=n2+n知
Sn=(12+1)+(22+2)+(32+3)+…+(n2+n)
=(12+22+32+…n2)+(1+2+3+…n)
=■n(n+1)(2n+1)+■n(n+1)
=■n(n+1)(n+2)
四、裂项法
此方法是先把数列的第n项aa分裂为几项的代数和,从而改变了数列的形式,以便可以分组求和或能进行消项处理,进而达到求和的目的。
例2.求数列1,■,■,…,■,…的前n项和。
解:∵an=■=■=■-■
∴sn=2[(1-■)+(■-■)+…+(■-■)]
=2(1-■)
=■
五、归纳法
用此方法求数列的和,一般分两步:
第一步先用不完全归纳法推测出sn的表达式;
第二步再对sn的表达式用数学归纳法证明。
例3.求数列■,■,■,…,■,…的前n项和。
解:∵s1=a1=■,s2=s1+a2=■,s3=s2+a3=■,s4=s3+a4=■,…,于是由不完全归纳法可猜想sn=■,再由数学归纳法证明上式正确,证明略。
六、倒序相加法
课本等差数列求和公式的推导就采用了此法,它是首先将原和式倒着顺序写一次,再与原来的和式对应相加,从而求得数列的和。
例4.已知a0,a1,a2,…,an,…成等差数列,求证:a0+a1C1n+a2C2n+…+anCnn=(a0+an)2n-1
解:设Sn=a0+a1C1n+a2C2n+…+anCnn,
则Sn=anCnn+an-1Cn-1n+…+a2C2n+a1C1n+a0
=anC0n+an-1C1n+…+a2Cn-2n+a1Cn-1n+a0Cnn
2Sn=(a0+an)C0n+(a1+an-1)C1n+…+(an+a0)Cnn
=(a0+an)(C0n+C1n+C2n+…+Cnn)=(a0+an)2n
∴a0+a1C1n+a2C2n+…+anCnn=(a0+an)2n-1
七、错位相减法
对于{anbn}型的数列,其中{an}是等差数列,{bn}是等比数列,可以先将和式两边同乘以等比数列的公比后,再与原来的和式相减,所得的差,除首末两项外,其余的可构成一个等比数列,从而利用等比数列的求和公式求出原数列的前n项和。
例5.求数列1,3a,5a2,7a3,…,(2n-1)an-1,…的前n项和(a≠1).
解:∵Sn=1+3a+5a2+7a3+…+(2n-1)an-1 (1)
∴aSn=a+3a2+5a3+7a4+…+(2n-1)an (2)
由(1)-(2)得:(1-a)Sn=1+2a+2a2+…+2an-1-(2n-1)an
=2(1+a+a2+…+an-1)-(2n-1)an-1
=■■
以上各种方法应灵活运用,有时有些数列求和问题甚至可能用到几种求和方法。
一、公式法
如果是等差、等比数列可直接利用其求和公式求和,而有些特殊的常见数列则应记住其求和结果,以便于应用。
二、分组求和法
有些数列,通过合理分组,从而改变原数列的形式,转换成新数列,再利用公式法求和。
三、聚合法
有些数列表示形式复杂,每一项是若干个数的和,这时可先对其第n项求和,然后将和化简,改变原数列形式,从新组合后再求和,此法称为聚合法。
例1.列2,2+4,2+4+6,2+4+6+8,…,2+4+6+…+2n,…的前n项和。
解:由an=2+4+6+…+2n=n(n+1)=n2+n知
Sn=(12+1)+(22+2)+(32+3)+…+(n2+n)
=(12+22+32+…n2)+(1+2+3+…n)
=■n(n+1)(2n+1)+■n(n+1)
=■n(n+1)(n+2)
四、裂项法
此方法是先把数列的第n项aa分裂为几项的代数和,从而改变了数列的形式,以便可以分组求和或能进行消项处理,进而达到求和的目的。
例2.求数列1,■,■,…,■,…的前n项和。
解:∵an=■=■=■-■
∴sn=2[(1-■)+(■-■)+…+(■-■)]
=2(1-■)
=■
五、归纳法
用此方法求数列的和,一般分两步:
第一步先用不完全归纳法推测出sn的表达式;
第二步再对sn的表达式用数学归纳法证明。
例3.求数列■,■,■,…,■,…的前n项和。
解:∵s1=a1=■,s2=s1+a2=■,s3=s2+a3=■,s4=s3+a4=■,…,于是由不完全归纳法可猜想sn=■,再由数学归纳法证明上式正确,证明略。
六、倒序相加法
课本等差数列求和公式的推导就采用了此法,它是首先将原和式倒着顺序写一次,再与原来的和式对应相加,从而求得数列的和。
例4.已知a0,a1,a2,…,an,…成等差数列,求证:a0+a1C1n+a2C2n+…+anCnn=(a0+an)2n-1
解:设Sn=a0+a1C1n+a2C2n+…+anCnn,
则Sn=anCnn+an-1Cn-1n+…+a2C2n+a1C1n+a0
=anC0n+an-1C1n+…+a2Cn-2n+a1Cn-1n+a0Cnn
2Sn=(a0+an)C0n+(a1+an-1)C1n+…+(an+a0)Cnn
=(a0+an)(C0n+C1n+C2n+…+Cnn)=(a0+an)2n
∴a0+a1C1n+a2C2n+…+anCnn=(a0+an)2n-1
七、错位相减法
对于{anbn}型的数列,其中{an}是等差数列,{bn}是等比数列,可以先将和式两边同乘以等比数列的公比后,再与原来的和式相减,所得的差,除首末两项外,其余的可构成一个等比数列,从而利用等比数列的求和公式求出原数列的前n项和。
例5.求数列1,3a,5a2,7a3,…,(2n-1)an-1,…的前n项和(a≠1).
解:∵Sn=1+3a+5a2+7a3+…+(2n-1)an-1 (1)
∴aSn=a+3a2+5a3+7a4+…+(2n-1)an (2)
由(1)-(2)得:(1-a)Sn=1+2a+2a2+…+2an-1-(2n-1)an
=2(1+a+a2+…+an-1)-(2n-1)an-1
=■■
以上各种方法应灵活运用,有时有些数列求和问题甚至可能用到几种求和方法。