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数列{an}中,如果其中几项满足公式an+k=f(an+k-1,an+k-2,…,an),则称此公式为数列{an}的递推公式,通过递推公式给出的数列,一般称之为递推数列.为了能进一步研究该类数列的性质,通常需要将数列的通项公式求出,以下通过几个实例来归纳常见递推数列求通项的解法.
1.累加法
例1已知数列{an},a1=1,n∈N*,an=an-1+1n2-n(n≥2,n∈N*),求通项公式an.
解:∵ an-an-1=1n2-n=1n(n-1)=1n-1-1n(n≥2).
∴ an=a1+(a2-a1)+(a3-a2)+…+(an-an-1)
=1+1-12+12-13+…+1n-1-1n=2-1n.
评注:形如an=an-1+f(n)的递推数列,其中数列{f(n)}可求和,则可通过恒等式an=a1+(a2-a1)+(a2-a2)+…+(an-an-1)累加求通项.
2. 累乘法
例2已知数列{an},a1=1,an>0,(n+1)a2n-na2n-1+anan-1=0(n≥2,n∈N*),求数列an通项公式.解:∵ na2n-(n-1)a2n-1+anan-1=0,∴ [nan-(n-1)an-1](an+an-1)=0.
∵ an>0,∴ an+an-1>0,∴ nan-(n-1)an-1=0,∴ anan-1=n-1n.
∴ an=a1•a2a1•a3a2…anan-1=1•12•23…n-1n=1n.
评注:形如anan-1=f(n)的递推数列,其中数列{f(n)}可求积,则可通过恒等式an=a1•a2a1•a3a2…anan-1累乘求通项.
3.构造法
① 待定系数法
例3已知数列{an},a1=1,an=3an-1+2(n≥2,n∈N*),求数列{an}通项公式.
解:∵ an=3an-1+2,令an+x=3(an+x),
∴ x=1,∴ an+1=3(an+1),∴ {an+1}为等比数列,首项为a1+1=2,公比q=3,∴ an+1=2•3n-1,∴ an=2•3n-1-1.
评注:形如an=qan-1+d(q,d为常数,q≠0,q≠1),可通过待定系数法凑配成an+dq-1=qan+dq-1,构造等比数列an+dq-1求通项,特别的,当q=1时{an}为等差数列.
② 取倒数法
例4已知f(x)=2x2x+1,数列an=f(an-1)(n≥2,n∈N*),且a1=f(1),求数列{an}的通项公式.
解:∵ an=f(an-1),∴ an=2an-12an-1+1,∴ 1an=2an-1+12an-1,∴ 1an=12an-1+1,令1an+x=121an-1+x,∴ x=-2,∴ 1an-2是等比数列,首项为1a1-2=1f(2)-2=-12,公比q=12,∴ 1an-2=1a1-2•qn-1=-12•12n-1,∴ 1an=-2-n+2,∴ an=2n2n+1-1.
评注:形如an=can-1an-1+d(c,d为常数,c≠d,c≠0,d≠0)的递推数列,可通过取倒数1an=dc•1an-1+1c,再通过待定系数法构造等比数列求通项,特别的,当c=d时数列1an为等差数列.
③ 取对数法
例5已知数列{an},a1=10,an=10a2n-1,(n≥2,n∈N*),an>0求数列{an}的通项公式.
解:∵ an=10a2n-1,∴ lgan=2lgan-1+1,令(lgan+x)=2(lgan-1+x),∴ x=1,∴ {lgan+1}为等比数列,首项为lga1+1=2,公比q=2,∴ lgan+1=2n,∴ an=102n-1.
评注:形如an=can-1p(c,p为常数,an>0,c>0,p>0,p≠1),两边取对数lgan=plgan-1+lgc,再通过待定系数法构造等比数列求通项,当p=1时,数列{lgan}为等差数列.
④ 换元法
例6已知数列{an},a1=1,an=2an-1+3n(n≥2,n∈N*),求数列{an}的通项公式.
解:∵ an=2an-1+3n,∴ an3n=2an-13n+1,
∴ an3n=23•an-13n-1+1,令bn=an3n,bn+x=23(bn-1+x),
∴ x=-3,∴ {bn-3}为等比数列,首项为b1-3=-83,公比q=23,∴ bn-3=an3n-3=-83•23n-1=-2n+23n,∴ an=3n+1-2n+2.
评注:形如an=qan-1+dn(q,d为常数,q≠0,d≠0,q≠1,d≠1,d≠q)的递推数列,可变换成andn=qd•an-1dn-1+1,令bn=andn,转化为bn=qdbn-1+1,通过待定系数法求通项.特别的,q=d时,bn为等差数列.
4.数学归纳法
例7已知数列{an}满足a1=1,且4an+1-anan+1+2an=9(n∈N*),求数列{an}的通项公式.
解:∵ a1=1,4an+1-anan+1+2an=9(n∈N*),∴ a2=73,a3=135,a4=197.
猜想: an=1+6(n-1)2n-1.
下证:当n=1时,猜想成立.当n=k(k∈N*)时,猜想成立,即ak=1+6(k-1)2k-1则当n=k+1时,有ak+1=2-1ak-4=2-16k-52k-1-4=6k+12k+1=1+6[(k+1)-1]2(k+1)-1.
∴ 当n=k+1时也成立.综上可知an=1+6(n-1)2n-1成立.
评注:数学归纳法求通项公式遵循“归纳,猜想,证明”,三步曲.
从数列的递推关系式求出数列通项的过程中,有时需要构造一个全新的数列,有时需要从特殊归纳到一般结论,这实际上是一次思维的整理,和创新的过程.
注:本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文
1.累加法
例1已知数列{an},a1=1,n∈N*,an=an-1+1n2-n(n≥2,n∈N*),求通项公式an.
解:∵ an-an-1=1n2-n=1n(n-1)=1n-1-1n(n≥2).
∴ an=a1+(a2-a1)+(a3-a2)+…+(an-an-1)
=1+1-12+12-13+…+1n-1-1n=2-1n.
评注:形如an=an-1+f(n)的递推数列,其中数列{f(n)}可求和,则可通过恒等式an=a1+(a2-a1)+(a2-a2)+…+(an-an-1)累加求通项.
2. 累乘法
例2已知数列{an},a1=1,an>0,(n+1)a2n-na2n-1+anan-1=0(n≥2,n∈N*),求数列an通项公式.解:∵ na2n-(n-1)a2n-1+anan-1=0,∴ [nan-(n-1)an-1](an+an-1)=0.
∵ an>0,∴ an+an-1>0,∴ nan-(n-1)an-1=0,∴ anan-1=n-1n.
∴ an=a1•a2a1•a3a2…anan-1=1•12•23…n-1n=1n.
评注:形如anan-1=f(n)的递推数列,其中数列{f(n)}可求积,则可通过恒等式an=a1•a2a1•a3a2…anan-1累乘求通项.
3.构造法
① 待定系数法
例3已知数列{an},a1=1,an=3an-1+2(n≥2,n∈N*),求数列{an}通项公式.
解:∵ an=3an-1+2,令an+x=3(an+x),
∴ x=1,∴ an+1=3(an+1),∴ {an+1}为等比数列,首项为a1+1=2,公比q=3,∴ an+1=2•3n-1,∴ an=2•3n-1-1.
评注:形如an=qan-1+d(q,d为常数,q≠0,q≠1),可通过待定系数法凑配成an+dq-1=qan+dq-1,构造等比数列an+dq-1求通项,特别的,当q=1时{an}为等差数列.
② 取倒数法
例4已知f(x)=2x2x+1,数列an=f(an-1)(n≥2,n∈N*),且a1=f(1),求数列{an}的通项公式.
解:∵ an=f(an-1),∴ an=2an-12an-1+1,∴ 1an=2an-1+12an-1,∴ 1an=12an-1+1,令1an+x=121an-1+x,∴ x=-2,∴ 1an-2是等比数列,首项为1a1-2=1f(2)-2=-12,公比q=12,∴ 1an-2=1a1-2•qn-1=-12•12n-1,∴ 1an=-2-n+2,∴ an=2n2n+1-1.
评注:形如an=can-1an-1+d(c,d为常数,c≠d,c≠0,d≠0)的递推数列,可通过取倒数1an=dc•1an-1+1c,再通过待定系数法构造等比数列求通项,特别的,当c=d时数列1an为等差数列.
③ 取对数法
例5已知数列{an},a1=10,an=10a2n-1,(n≥2,n∈N*),an>0求数列{an}的通项公式.
解:∵ an=10a2n-1,∴ lgan=2lgan-1+1,令(lgan+x)=2(lgan-1+x),∴ x=1,∴ {lgan+1}为等比数列,首项为lga1+1=2,公比q=2,∴ lgan+1=2n,∴ an=102n-1.
评注:形如an=can-1p(c,p为常数,an>0,c>0,p>0,p≠1),两边取对数lgan=plgan-1+lgc,再通过待定系数法构造等比数列求通项,当p=1时,数列{lgan}为等差数列.
④ 换元法
例6已知数列{an},a1=1,an=2an-1+3n(n≥2,n∈N*),求数列{an}的通项公式.
解:∵ an=2an-1+3n,∴ an3n=2an-13n+1,
∴ an3n=23•an-13n-1+1,令bn=an3n,bn+x=23(bn-1+x),
∴ x=-3,∴ {bn-3}为等比数列,首项为b1-3=-83,公比q=23,∴ bn-3=an3n-3=-83•23n-1=-2n+23n,∴ an=3n+1-2n+2.
评注:形如an=qan-1+dn(q,d为常数,q≠0,d≠0,q≠1,d≠1,d≠q)的递推数列,可变换成andn=qd•an-1dn-1+1,令bn=andn,转化为bn=qdbn-1+1,通过待定系数法求通项.特别的,q=d时,bn为等差数列.
4.数学归纳法
例7已知数列{an}满足a1=1,且4an+1-anan+1+2an=9(n∈N*),求数列{an}的通项公式.
解:∵ a1=1,4an+1-anan+1+2an=9(n∈N*),∴ a2=73,a3=135,a4=197.
猜想: an=1+6(n-1)2n-1.
下证:当n=1时,猜想成立.当n=k(k∈N*)时,猜想成立,即ak=1+6(k-1)2k-1则当n=k+1时,有ak+1=2-1ak-4=2-16k-52k-1-4=6k+12k+1=1+6[(k+1)-1]2(k+1)-1.
∴ 当n=k+1时也成立.综上可知an=1+6(n-1)2n-1成立.
评注:数学归纳法求通项公式遵循“归纳,猜想,证明”,三步曲.
从数列的递推关系式求出数列通项的过程中,有时需要构造一个全新的数列,有时需要从特殊归纳到一般结论,这实际上是一次思维的整理,和创新的过程.
注:本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文