利用$a_n$与$S_n$的关系求通项$a_n$
前言
由\(a_n\)与\(S_n\)的关系求数列\(\{a_n\}\)的通项公式,在求通项公式题型中占有比较大的份额,是一个重要的求解思路和方法。是要求重点掌握的类型。
一、方法依据
二者关系:\(a_n = \begin{cases}S_1 &n=1 \\ S_n-S_{n-1} &n \ge 2 \end{cases}\),
方法:熟练记忆\(a_n\)与\(S_n\)的关系,由于\(a_n\)是分段函数,故需要分别求解\(n=1\)和\(n\ge 2\)时的通项公式,并必须考虑能否合二为一。
二、常见角度
- 角度1:若已知形如\(S_n=f(n)\)
思路:仿照已知条件,构造\(S_{n-1}\),用两者作差消去\(S_n\)类即可解;
例2已知\(S_n=2n^2+3n+1\),求数列\(\{a_n\}\)的通项公式;
分析:当\(n=1\)时,\(S_1=a_1=6\),
当\(n\ge 2\)时,由已知可得\(S_{n-1}=2(n-1)^2+3(n-1)+1\),
又\(S_n=2n^2+3n+1\),两式相减得到
\(n\ge 2\)时,\(a_n=S_n-S_{n-1}=4n+1\),
由于\(n=1\)时,\(a_1=6\),不满足上式,故需要将通项公式写成分段函数形式,
即所求通项公式为\(a_n=\begin{cases}6,&n=1\\4n+1,&n\ge 2\end{cases}\)。
例3【或称退一法】已知\(2^1a_1+2^2a_2+2^3a_3+\dots+2^na_n = n\),求数列\(\{a_n\}\)的通项公式 ;
分析:由已知可得,当\(n\ge 2\)时,\(2^1a_1+2^2a_2+2^3a_3+\dots+2^{n-1}a_{n-1} = n-1\),
两式作差得到
当\(n\ge 2\)时,\(2^na_n =1\),即\(a_n=\cfrac{1}{2^n}=(\cfrac{1}{2})^n\),
又当\(n=1\)时,\(2^1a_1=1\),即\(a_1=\cfrac{1}{2}\),满足上式,
故所求通项公式为\(a_n=(\cfrac{1}{2})^n,n\in N^*\)。
【解后反思】此题目中涉及两个数列,其一数列\(\{a_n\}\)的前\(n\)项和为\(S_n\),其二数列\(\{n\cdot a_n\}\)的前\(n\)项和为\(T_n\),
- 角度2:已知形如\(S_n=f(a_n)\),有两个求解方向:
①若求\(a_n\) ,思路:设法消去\(S_n\),即构造\(S_{n-1}\),作差即可求解;
例4设数列\(\{a_n\}\)的前\(n\)项和为\(S_n\),已知\(2S_n+a_n=1\),求数列\(\{a_n\}\)的通项公式;
分析:由已知\(2S_n+a_n=1\)可得,
当\(n\ge 2\)时,\(2S_{n-1}+a_{n-1}=1\),两式相减得到
当\(n\ge 2\)时,\(3a_n-a_{n-1}=0\),
又\(n=1\)时,\(2S_1+a_1=1\),解得\(a_1=\cfrac{1}{3}\),
故可知\(\cfrac{a_n}{a_{n-1}}=\cfrac{1}{3}\),
即数列\(\{a_n\}\)是首项为\(\cfrac{1}{3}\),公比为\(\cfrac{1}{3}\)的等比数列,
通项公式为\(a_n=\cfrac{1}{3^n}(n\in N^*)\)。
②若求\(S_n\) ,思路:消去\(a_n\),用\(s_n-s_{n-1}=a_n\)代换\(a_n\)即可求解。
例5设数列\(\{a_n\}\)的前\(n\)项和为\(S_n\),若\(a_1=1\),\(a_{n+1}=3S_n\),求数列\(\{S_n\}\)的通项公式;
分析:由\(a_{n+1}=S_{n+1}-S_n\),代入已知式子得到,
\(S_{n+1}-S_n=3S_n\),整理得到,\(S_{n+1}=4S_n\),
由\(S_1=a_1=1\neq 0\),故数列\(\{S_n\}\)是首项是1,公比为4的等比数列,
故\(S_n=1\cdot 4^{n-1}=4^{n-1}(n\in N^*)\)。
解后反思:【理科学生用】若用以上的两个思路都不能奏效,则可以考虑先计算出数列的前几项,归纳猜想一个结论,然后用数学归纳法进行证明。
- 角度3:已知形如\(S_n=f(n,a_n)\)
思路:构造\(S_{n-1}\),两者作差后,
①若出现\(a_{n+1} =pa_n + q(p,q\in R)\) ,两边同加常数\(k=\cfrac{q}{p-1}\)构造等比数列。
【解释】:为什么同加常数\(k=\cfrac{q}{p-1}\)就可以构造等比数列,
假设\(a_{n+1} = pa_n + q\),可以变形为\(a_{n+1}+k=p(a_n+k)\),整理得到\(a_{n+1}=pa_n+pk-k\),
则有\(k(p-1)=q\),故\(k=\cfrac{q}{p-1}\),即只要给所给的形如\(a_{n+1} = pa_n + q\)的式子两边同时
加上常数\(\cfrac{q}{p-1}\),则可以等价变形为\(a_{n+1}+k=p(a_n+k)\),接下来就可以朝等比数列考虑了。
例6已知数列\(\{a_n\}\)的前\(n\)项和为\(S_n\),满足\(S_n=2a_n+n\)及\(a_1=2\),求数列\(\{a_n\}\)的通项公式。
分析:由已知当\(n\ge 2\)时,\(S_{n-1}=2a_{n-1}+(n-1)\),两式相减得到
\(n\ge 2\)时,\(a_n=2a_n-2a_{n-1}+1\),整理得到\(a_n=2a_{n-1}-1\),两边同加-1,
即\(a_n-1=2(a_{n-1}-1)\),故\(a_1-1=1\neq 0\),
故数列\(\{a_n-1\}\)是首项为1,公比为2的等比数列,
故\(a_n-1=1\cdot 2^{n-1}\),故\(a_n=2^{n-1}+1(n\in N^*)\)。
②若出现\(a_{n+1} =pa_n+qn+k\),两边同加关于\(n\)的一次式构造等比数列。(较难的类型)
例7【一般不介绍】已知数列\(\{a_n\}\)满足\(a_{n+1}=2a_n+3n+1\)且\(a_1=1\),求数列\(\{a_n\}\)的通项公式。
分析:设\(a_{n+1}+p(n+1)+q=2(a_n+pn+q)\),打开整理得到,\(p=3,q=1\),
整理都得到\(a_{n+1}+3(n+1)+1=2(a_n+3n+1)\),
由首项\(a_1+3\cdot 1+1=5\neq 0\) ,故数列\(\{a_n+3n+1\}\)是首项为5,公比为2的等比数列,
故\(a_n+3n+1=5\cdot 2^{n-1}\),故\(a_n=5\cdot 2^{n-1}-3n-1(n\in N^*)\)。
例8【赋值法求通项公式】 等差数列\(\{a_n\}\),\(a_n>0\),且数列\(\{\cfrac{1}{a_na_{n+1}}\}\)的前\(n\)项和为\(\cfrac{n}{2(n+2)}\),求数列\(\{a_n\}\)的通项公式;
分析:当\(n=1\)时,\(\cfrac{1}{a_1a_2}=\cfrac{1}{2\times3}=\cfrac{1}{6}\)①;
当\(n=2\)时,\(\cfrac{1}{a_1a_2}+\cfrac{1}{a_2a_3}=\cfrac{2}{2\times4}=\cfrac{1}{4}\)②;
①-②得到\(\cfrac{1}{a_2a_3}=\cfrac{1}{12}\)
则有\(a_1\cdot (a_1+d)=6\)③;\((a_1+d)(a_1+2d)=12\)④,
由③④解得\(a_1=2\),\(d=1\);故\(a_n=n+1\);
三、对应练习
练1在数列\(\{a_n\}\)中,若\(S_n=\cfrac{2}{3}a_n+\cfrac{1}{3}\),求\(a_n\)=_____________。
练2在数列\(\{a_n\}\)中,若\(S_n=2a_n-n\),证明\(\{a_n+1\}\)是等比数列,并求\(a_n\)=_____________。
练3在数列\(\{a_n\}\)中,\(a_1=1\),若\(3S_{n}=(n+2)a_n\),求\(a_n\)=_____________。
练4在数列\(\{a_n\}\)中,\(a_n>0\),若\(S_{n}=\cfrac{1}{2}(a_n+\cfrac{1}{a_n})\),求\(a_n\)=_____________。
练5在数列\(\{a_n\}\)中,已知\(a_1+2a_2+3a_3+\cdots+na_n=n(n+1)(n+2)\),求\(a_n\)=_____________。
练6在数列\(\{a_n\}\)中,\(a_1=3\),\(a_n=2S_{n-1}+3^n(n\ge 2)\),求\(a_n\)=_____________。
练7在数列\(\{a_n\}\)中,满足\(a_n=S_n \cdot S_{n-1}(n\ge 2)\),且\(a_1=\cfrac{2}{9}\),求\(a_n\)=_____________。
提示:\(S_n-S_{n-1}=S_nS_{n-1}\),先求\(S_n\)的通项公式,再求\(a_n\),\(a_n=\left\{\begin{array}{l}{\cfrac{2}{9},n=1}\\{\cfrac{4}{(11-2n)(13-2n)},n\ge 2}\end{array}\right.\)
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