数列的最值及奇偶项讨论问题 学案(Word版含解析)

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数列的最值及奇偶项讨论问题 学案(Word版含解析)

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数列的最值及奇偶项讨论问题
1.数列是一种特殊的函数,数列的最值、范围问题与函数的最值(范围)问题相类似,一般常借助单调性解决.
2.在数列中,经常出现某一项符号与项数n有关的问题,此类问题常通过讨论n的奇偶性求解.
题型一 项的最值问题
【例1】 设等差数列{an}前n项和为An,等比数列{bn}前n项和为Bn.若Bn+3=8Bn+7,a1=b2,a4=b4.
(1)求bn和An;
(2)求数列{bn-An}的最小项.
解 (1)法一 设等差数列{an}的公差为d,设等比数列的公比为q,由Bn+3=8Bn+7,可得b1+b2+b3+(b4+…+bn+3)=b1+b2+b3+q3Bn=8Bn+7,
则q3=8,b1+b2+b3=7,解得q=2,b1=1.
则bn=2n-1;
由a1=b2=2,a4=b4=8,
可得d=2,An=2n+×2×n(n-1)=n2+n;
法二 Bn+3=8Bn+7,Bn+4=8Bn+1+7,
两式相减得bn+4=8bn+1,故q=2.
(2)设cn=bn-An=2n-1-n2-n,
cn+1-cn=2n-(n+1)2-n-1-(2n-1-n2-n)=2n-1-2(n+1),
当n≤4时,cn+1cn,
可得数列{bn-An}的最小项为c5=-14.
感悟升华 (1)确定数列的最值(即项的最值),一般应先求出通项公式;
(2)数列的最值常通过数列的单调性求解;
(3)有些情况下可通过不等式组(如或)解决.
【训练1】 (1)若数列中的最大项是第k项,则k=________.
(2)已知数列{an}的前n项和Sn=
n∈N*,则an=________;若a5是{an}中的最大值,则实数a的取值范围是________.
答案 (1)4 (2)a≥
解析 (1)由题意知
解得≤k≤1+.∵k∈N*,∴k=4.
(2)当2≤n≤4时,an=Sn-Sn-1=2n-2,n=1时,a1=S1=1,不满足上式;当n≥6时,an=Sn-Sn-1=-2n+a;当n=5时,a5=S5-S4=5a-45,∴an=
由题意,a5是{an}中的最大值,
∴5a-45≥8且5a-45≥-12+a,∴a≥.
题型二 前n项和(或积)的最值
【例2】 (2014·浙江卷)已知数列{an}和{bn}满足a1a2a3…an=()bn(n∈N*).若{an}为等比数列,且a1=2,b3=6+b2.
(1)求an与bn;
(2)设cn=-(n∈N*),记数列{cn}的前n项和为Sn.
①求Sn;
②求正整数k,使得对任意n∈N*均有Sk≥Sn.
解 (1)由题意a1a2a3…an=()bn,b3-b2=6,
知a3=()b3-b2=8.
又由a1=2,得公比q=2(q=-2,舍去),
所以数列{an}的通项为an=2n(n∈N*).
所以,a1a2a3…an=2=()n(n+1).
故数列{bn}的通项为bn=n(n+1)(n∈N*).
(2)①由(1)知cn=-=-(n∈N*),
所以Sn=-(n∈N*).
②因为c1=0,c2>0,c3>0,c4>0;
当n≥5时,
cn=,
而-=>0,
得≤<1,
所以,当n≥5时,cn<0.
综上,对任意n∈N*恒有S4≥Sn,故k=4.
感悟升华 (1)此类问题常构造函数,利用单调性解决;
(2)和式最值有时也可通过找分界项(与零的关系)求解.
【训练2】 (2020·金丽衢十二校二联)设数列{an}的前n项和为Sn,满足:an+Sn=(n∈N*).
(1)求证:数列为等比数列;
(2)求Sn,并求Sn的最大值.
(1)证明 因为an+Sn=,①
所以an-1+Sn-1=(n≥2),②
由①-②可得,
当n≥2时,2an-an-1=-,
整理得2=an-1+.
又a1+=,
所以数列是首项、公比均为的等比数列.
(2)解 由(1)得an+=,
所以an=-=-,
所以Sn=1--,
所以Sn=-.
因为an=-=,
令函数f(n)=-1,
则f(n+1)-f(n)=,
所以f(1)f(4)>….
又f(1)=0,f(4)>0,f(5)<0,
所以当n≥5时,an<0,即Sn-1>Sn,
当n≤4时,Sn-1≤Sn,
因此Sn的最大值为S4=.
题型三 项或积的代数式的最值
【例3】 (1)已知各项为正的等比数列{an}中,a4与a14的等比中项为2,则2a7+a11的最小值为(  )
A.16 B.8 C.6 D.4
(2)设Sn为等差数列{an}的前n项和,若a7=5,S5=-55,则nSn的最小值为(  )
A.-343 B.-324 C.-320 D.-243
答案 (1)B (2)A
解析 (1)因为a=a4a14=a7a11=8,所以2a7+a11=2a7+≥2=8.
(2)设等差数列{an}的公差为d,
∵a7=5,S5=-55,∴解得
∴Sn=-19n+×4=2n2-21n,
∴nSn=2n3-21n2,
设f(x)=2x3-21x2(x>0),则f′(x)=6x(x-7).
当07时,f′(x)>0,
故nSn的最小值为f(7)=-343.
感悟升华 (1)利用基本不等式求最值;
(2)利用函数、导数研究对应函数的单调性,借助单调性求最值.
【训练3】 (1)(2021·浙江五校联考)已知等差数列{an}的公差d≠0,且a1,a3,a13成等比数列,若a1=1,Sn为数列{an}的前n项和,则的最小值为________.
(2)(2021·浙江新高考仿真三)设数列{an}的前n项和为Sn,对任意n∈N*,有Sn+1=2Sn+n+1,a1=1,则的最大值为(  )
A.2 B.1 C. D.
(3)(2021·镇海中学模拟)已知数列{an}满足a1=1,a2=4,且2an=an-1+an+1(n≥2,n∈N),则的最大值为(  )
A. B.1 C.2 D.
答案 (1)4 (2)D (3)C
解析 (1)设公差为d,因为a1,a3,a13成等比数列,所以(1+2d)2=1+12d,解得d=2.所以an=2n-1,Sn=n2.所以==.令t=n+1,则原式==t+-2.因为t≥2,t∈N*,所以当t=3,即n=2时,=4.
(2)由Sn+1=2Sn+n+1得当n≥2时,Sn=2Sn-1+n,两式作差得an+1=2an+1,即an+1+1=2(an+1),又因为a1+1=2,所以数列{an+1}为首项为2,公比为2的等比数列,则an+1=2n,an=2n-1,则=,设f(n)=,则f(n+1)-f(n)=-=,则有f(1)(3)由2an=an-1+an+1得2nan=(n-1)an-1+(n+1)an+1,则数列{nan}为等差数列,其首项为1,公差为2×a2-a1=7,则nan=1+7(n-1)=7n-6,则=.设函数f(x)=,则f′(x)=,则的最大值为max==2,故选C.
题型四 数列的奇偶项讨论
【例4】 (1)若数列{an}的通项公式an=(-1)n,则它的前n项和Sn=________.
(2)在数列{an}中,a1=1,a2=2,且an+2-an=1+(-1)n(n∈N*),则an=______,S100=______.
(3)已知公差不为零的等差数列{an}中,a1=1,且a2,a5,a14成等比数列,{an}的前n项和为Sn,bn=(-1)nSn,则an=________,数列{bn}的前n项和Tn=________.
答案 (1)-1+或
(2) 2 600 (3)2n-1 (-1)n
解析 (1)an=(-1)n=(-1)n,
Sn=-+-+…+
(-1)n,
当n为偶数时,Sn=-1+,当n为奇数时,
Sn=-1-,
综上所述Sn=-1+.
(2)当n为奇数时,an+2-an=0;当n为偶数时,an+2-an=2,
∴{an}的一个通项公式为an=
∴S100=S奇+S偶=50×1+=2 600.
(3)设等差数列{an}的公差为d(d≠0),则由a2,a5,a14成等比数列得a=a2·a14,即(1+4d)2=(1+d)(1+13d),解得d=2,则an=a1+(n-1)d=2n-1,Sn=na1+d=n2,当n为偶数时,Tn=-S1+S2-S3+S4-…-Sn-1+Sn=-12+22-32+42-…-(n-1)2+n2=3+7+…+(2n-1)=;当n为大于1的奇数时,Tn=-S1+S2-S3+S4-…+Sn-1-Sn=-12+22-32+42-…-(n-2)2+(n-1)2-n2=3+7+…+(2n-3)-n2=-,当n=1时,也符合上式.综上所述,Tn=(-1)n.
感悟升华 当所给条件中,出现符号数列{(-1)n}或出现关于n的三角函数时,常考虑分奇偶项讨论.
【训练4】 (1)已知数列{an}的通项公式是an=
n2sin,则a1+a2+a3+…+a2 018=(  )
A. B.
C. D.
(2)在数列{an}中,an+1+(-1)nan=2n-1,则数列{an}的前12项和为(  )
A.76 B.78 C.80 D.82
(3)(2021·上海徐汇区一模)若不等式(-1)n·a<3+对任意的正整数n恒成立,则实数a的取值范围是________.
答案 (1)B (2)B (3)
解析 (1)an=n2sin=
∴a1+a2+a3+…+a2 018=-12+22-32+42-…-2 0172+2 0182=(22-12)+(42-32)+…+(2 0182-2 0172)=1+2+3+4+…+2 018=.
(2)因为an+1+(-1)nan=2n-1,所以a2-a1=1,
a3+a2=3,a4-a3=5,a5+a4=7,a6-a5=9,a7+a6=11,…,a11+a10=19,a12-a11=21,所以a1+a3=2,a4+a2=8,…,a12+a10=40,
所以从第一项开始,依次取两个相邻奇数项的和都等于2,从第二项开始,依次取两个相邻偶数项的和构成以8为首项,以16为公差的等差数列,以上式相加可得,S12=a1+a2+a3+…+a12=(a1+a3)+(a5+a7)+(a9+a11)+(a2+a4)+(a6+a8)+(a10+a12)=3×2+8+24+40=78.
(3)n为偶数时,a<,即a<3-=;
n为奇数时,-a<,即-a≤3,
∴a≥-3,
综上实数a的取值范围是.
一、选择题
1.已知数列{an}的通项公式为an=,则数列{an}的最大值为(  )
A.第7项 B.第8项
C.第7项或第8项 D.不存在
答案 B
解析 ∵an==≤,当且仅当n=时取等号,而a7==,a8==,而a72.在等差数列{an}中,an>0,且a1+a2+…+a2 021=4 042,则a1·a2 021的最大值为(  )
A.3 B.4 C.6 D.9
答案 B
解析 因为在等差数列{an}中,a1+a2+…+a2 021=4 042,
所以=4 042,即a1+a2 021=4,
又an>0,所以a1·a2 021≤=4,
当且仅当a1=a2 021=2时,等号成立,
所以a1·a2 021的最大值为4.故选B.
3.(2021·北京顺义区二模)设{an}是各项均为正数的等比数列,Sn为其前n项和.已知a1·a3=16,S3=14,若存在n0使得a1,a2,…,an0的乘积最大,则n0的一个可能值是(  )
A.4 B.5 C.6 D.7
答案 A
解析 等比数列{an}中,公比q>0;
由a1·a3=16=a,所以a2=4,
又S3=14,
所以解得或
若时,可得q=2,可得a1,a2,…,an0的值为2,4,8,16,…,不会存在n0使得a1,a2,…,an0的乘积最大(舍去),
若时,可得q=,可得a1,a2,…,an0的值为8,4,2,1,,,…,观察可知存在n0=4,使得8×4×2×1的乘积最大,综上,可得n0的一个可能值是4.
4.(2021·嘉兴期末)等差数列{an}满足:a1>0,4a3=7a10.记anan+1an+2=bn,当数列{bn}的前n项和Sn取最大值时,n=(  )
A.17 B.18 C.19 D.20
答案 C
解析 因为数列{an}是首项大于0的等差数列,且4a3=7a10,所以3a1+55d=0.不妨取a1=55,d=-3,则an=58-3n,所以数列{an}的前19项为正,从第20项开始为负.因为bn=anan+1an+2,所以数列{bn}的前17项为正,第18项为负,第19项为正,从第20项开始为负,所以S17>S16>…>S1>0,S18=S17+b180,所以S19=S17+b18+b19>S17,S20=S19+b205.(2021·金华十校期末调研)正整数数列{an}满足:an+1=(k∈N*),则(  )
                  
A.数列{an}中不可能同时有1和2 019两项
B.an的最小值必定为1
C.当an是奇数时,an≥an+2
D.an的最小值可能为2
答案 A
解析 若a1=3,则a2=6,所以a3=3,a4=6,所以可知数列{an}是一个周期数列,最小值为3,且an=an+2,所以B,C错误;若am=2,则am+1=1,所以an的最小值不可能是2,D错误,所以A正确,故选A.
6.(2021·浙江考前冲刺卷九)已知首项均为的等差数列{an}与等比数列{bn},若a3=-b2,a4=b3,数列{an}的各项均不相等,且Sn为数列{bn}的前n项和,则的最大值与最小值差的绝对值为(  )
A. B. C. D.
答案 A
解析 设{an}的公差为d(d≠0),{bn}的公比为q,则得所以Sn=1-.令t=,则t=Sn-,易得Sn>0,且t随着Sn的增大而增大.当n为奇数时,Sn=1+递减,则Sn∈,t∈;当n为偶数时,Sn=1-递增,Sn∈,t∈.所以tmin=-,tmax=,即的最大值为,最小值为-,所以的最大值与最小值差的绝对值为-=,故选A.
7.(2021·鄞州中学检测)已知数列{an}满足a1=1,an+1an=a+2an+1,则使得|-m|最小的整数m是(  )
A.65 B.64 C.63 D.62
答案 B
解析 显然an>0,由an+1an=a+2an+1得an+1-an=+2,则数列{an}为单调递增数列,则an=(an-an-1)+(an-1-an-2)+…+(a2-a1)+a1=++…++a1=2n-1+≥2n,所以a2 020≥
4 040,所以>63.6;由an+1an=a+2an+1得-=≤=<=-,所以=+(-)+(-)+…+(-)<2+-<64.5,所以使得|-m|最小的整数m是64,故选B.
8.(2021·杭州二中月考)已知数列{an}满足a1=1,a2=,且[3+(-1)n]an+2-2an+2[(-1)n-1]=0,n∈N*,记T2n为数列{an}的前2n项和,数列{bn}是首项和公比都是2的等比数列,则使不等式·<1成立的最小整数n的值为(  )
A.7 B.6 C.5 D.4
答案 C
解析 因为[3+(-1)n]an+2-2an+2[(-1)n-1]=0,n∈N*,所以当 n为奇数时,an+2-an=2,且a1=1,所以数列{an}的奇数项构成首项为1,公差为2的等差数列;当n为偶数时,=,且a2=,所以数列{an}的偶数项构成首项为,公比为的等比数列,则T2n=(a1+a3+a5+…+a2n-1)+(a2+a4+a6+…+a2n)=n2+1-.又因为数列{bn}是首项和公比都是2的等比数列,所以bn=2n,则·<1等价于(n2+1)<1,即n2+1<2n,当n=1时,n2+1=2n;当n=2,3,4时,n2+1>2n;当n=5时,n2+1<2n;当n>5时,由数学归纳法易得n2+1<2n.综上所述,使不等式·<1成立的最小整数n的值为5,故选C.
二、填空题
9.已知{an}是等比数列,且an>0,a2a4+2a3a5+a4a6=25,则a3+a5=________;a4的最大值为________.
答案 5 
解析 因为an>0,a2a4+2a3a5+a4a6=a+2a3a5+a=(a3+a5)2=25,所以a3+a5=5,所以a3+a5=5≥2=2a4,所以a4≤.即a4的最大值为.
10.若一个数列的第m项等于这个数列的前m项的乘积,则称该数列为“m积数列”.若各项均为正数的等比数列{an}是一个“2 020积数列”,且a1>1,则当其前n项的乘积取最大值时n的值为________.
答案 1 009或1 010
解析 由题可知a1a2a3·…·a2 020=a2 020,
故a1a2a3·…·a2 019=1,
由于{an}是各项均为正数的等比数列且a1>1.
所以a1 010=1,公比0所以a1 009>1且011.(一题多解)(2021·浙江教育绿色联盟适考)已知数列{an}满足an+1+(-1)nan=n(n∈N*),记数列{an}的前n项和为Sn,则S60=________.
答案 930
解析 法一 因为a2k-a2k-1=2k-1,a2k+1+a2k=2k(k∈N*),两式相减,则a2k+1+a2k-1=1,即{an}的相邻两个奇数项之和恒为1;又a2k+1+a2k=2k,a2k+2-a2k+1=2k+1(k∈N*),两式相加,则a2k+2+a2k=4k+1,所以S60=(a1+a3+…+a59)+[(a2+a4)+…+(a58+a60)]=15+[(4×1+1)+(4×3+1)+…+(4×29+1)]=930.
法二 一般递推关系中出现(-1)n,应分奇偶项进行讨论,以简化递推关系.同时,对于首项未定的数列求和,可以考虑从特殊到一般归纳其规律:设a1=x,则由递推关系,得a2=1+x,a3=1-x,a4=4-x,a5=x,a6=5+x,a7=1-x,a8=8-x,…,则有a1+a2+a3+a4=6,a5+a6+a7+a8=14,可猜想a4m+1+a4m+2+a4m+3+a4m+4=8m+6(m∈N),故S60=6×15+×8=930.
12.(2021·浙江名校联考信息卷)已知数列{an},{bn},且a1=b1=1,an+1=an+1,bn+1=bn+2n,则bn=________;设cn=,则cn的最小值为________.
答案 2n-1 
解析 由题意可得an+1-an=1,bn+1-bn=2n.由a1=1,an+1-an=1得an=n,由b1=1及bn+1-bn=2n运用累加法得bn=2n-1,所以cn=,所以cn+1-cn=-=,所以当n=1,2时,cn+1-cn<0,当n≥3时,cn+1-cn>0,则有c1>c2>c313.(2021·杭州地区四校联考)已知数列{an}的前n项和为Sn,且满足a1=,2Sn+Sn-1=3(n≥2,n∈N*),则Sn的最大值与最小值之和为________.
答案 
解析 因为2Sn+Sn-1=3(n≥2,n∈N*),所以n≥3时,2Sn-1+Sn-2=3,两式相减得2an+an-1=0,即an=-an-1(n≥3).当n=2时,2S2+S1=3,即3a1+2a2=3,由a1=得a2=-,则a2=-a1,所以数列{an}是以为首项,-为公比的等比数列,所以Sn==1-.当n为奇数时,Sn=1+,Sn随n的增大而减小,则114.(2021·湖州五校模拟)已知数列{an}的通项公式为an=·3n-1,n∈N*,[an]表示不超过an的最大整数(如[1.2]=1).记bn=[an],数列{bn}的前n项和为Tn,若不等式λan+1>Tn+5n-对任意的n∈N*恒成立,则实数λ的取值范围是________.
答案 
解析 因为an=·3n-1,所以当n=1时,a1=,b1=0.当n≥2时,3n-1为大于2的奇数,3n-1-1为偶数,所以bn=,显然b1=0也满足上式,所以bn=,n∈N*,所以Tn=(30+31+32+…+3n-1)-=-=.所以不等式λan+1>Tn+5n-,即λ·>+5n-可化为λ>+.令f(n)=+,n∈N*,则f(n+1)=+,所以f(n+1)-f(n)=-=,所以当n≤4时,f(n+1)-f(n)>0,f(n)递增,当n≥5时,f(n+1)-f(n)<0,f(n)递减,即f(1)f(6)>f(7)>…,所以f(n)max=f(5)=,故λ>,即实数λ的取值范围是.
三、解答题
15.已知数列{an}的通项公式an=2·3n-1+(-1)n(ln 2-ln 3)+(-1)nnln 3,求其前n项和Sn.
解 Sn=2(1+3+…+3n-1)+[-1+1-1+…+(-1)n](ln 2-ln 3)+[-1+2-3+…+(-1)nn]ln 3,
所以当n为偶数时,Sn=2×+ln 3=3n+ln 3-1,
当n为奇数时,
Sn=2×-(ln 2-ln 3)+ln 3
=3n-ln 3-ln 2-1,
综上所述,Sn=
16.(2021·鄞州中学测试)已知数列{an}的前n项和为Sn,且满足2Sn=(n+2)(an-1),n∈N*.
(1)证明:数列为常数列,并求an;
(2)令bn=a2n·sin ,求数列{bn}的前n项和Tn.
(1)证明 因为2Sn=(n+2)(an-1),①
所以当n≥2时,2Sn-1=(n+1)(an-1-1),②
①-②得2an=(n+2)an-(n+1)an-1-1,
即nan-(n+1)an-1=1.
等式两边同除n(n+1)得
-==-,
整理得=,
所以数列为常数列.
因为2S1=(1+2)(a1-1),所以a1=3,
则==2,所以an=2n+1.
(2)解 由(1)可得a2n=2·2n+1=2n+1+1,
所以bn=(2n+1+1)sin
=(2n+1+1)sin,
则bn=
①当n=2k,k∈N*时,
Tn=(-22-1)+(23+1)-(24+1)+…+(-2n-1)+(2n+1+1)
=-22+23-24+25+…-2n+2n+1
=22+24+…+2n
=(2n-1);
②当n=2k-1,k∈N*时 ,
Tn=Tn+1-bn+1=(2n+1-1)-(2n+2+1)=-.
综上所述,Tn=
17.(2021·浙江新高考训练三)已知等差数列{an}的前n项和为Sn(n∈N*),且a1+a6=a4,S6=9,数列{bn}满足b1=2,bn-bn-1=2n-1(n≥2,n∈N*).
(1)求数列{an}和{bn}的通项公式;
(2)求数列{anbn}的前n项和Tn,并求Tn的最小值.
解 (1)由S6=3(a1+a6)=3(a3+a4)=3a4=9,
得a4=3,a3=0,
故数列{an}的公差d=3,an=a3+(n-3)d=3n-9,
即数列{an}的通项公式为an=3n-9.
当n≥2时,bn=(bn-bn-1)+(bn-1-bn-2)+…+(b2-b1)+b1=2n-1+2n-2+…+2+2=2n,
而b1=2,故bn=2n,
即数列{bn}的通项公式为bn=2n.
(2)Tn=-6×2-3×22+…+(3n-12)×2n-1+
(3n-9)×2n,
2Tn=-6×22-3×23+…+(3n-12)×2n+(3n-9)×2n+1.
上述两式相减得
-Tn=-12+3×22+…+3×2n-(3n-9)×2n+1
=-12+3×(2n+1-4)-(3n-9)×2n+1
=-24-(3n-12)×2n+1,
故Tn=(3n-12)×2n+1+24.
设cn=(3n-12)×2n+1,
显然当n≥4时,cn≥0,Tn≥24且单调递增.
而c1=-36,c2=-48,c3=-48,
故Tn的最小值为T2=T3=-24.
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