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3.3 与$S_n$相关的问题

数列求和与递推数列 · 高二
先确认一下:这一关能不能学
上面这几节是它的地基 —— 没通的话,补完再回来,比硬啃快得多。
讲清楚它是什么

定义 利用 $S_n$ 与 $a_n$ 的递推关系,结合数列性质求通项或证明数列类型的问题。

从哪来 核心依据是 3.2 $S_n$与$a_n$的关系,并需结合 4.2 求通项的方法 进行推导,若涉及等比数列则需调用 2.2 等比数列的通项公式 和 2.4 等比数列的前n项和 进行验证或计算。

为什么 数列 $\{a_n\}$ 与其前 $n$ 项和 $S_n$ 互为“积分”与“微分”关系。已知 $S_n$ 关于 $n$ 的函数式,本质上就是已知了数列的累积量。通过 $a_n = S_n - S_{n-1}$ ($n \ge 2$) 这一差分思想,可以将“和”的信息转化为“项”的信息。这是解决数列问题最通用的桥梁,因为许多递推关系(如 $S_n = f(a_n)$)必须通过这一关系转化为关于 $a_n$ 的递推式才能求解。

适合:逻辑严密、擅长代数推导的学生** **核心思路:分类讨论法** 1. **写出关系式
将题目给出的 $S_n$ 与 $a_n$ 的关系式记为 ①。 2. 降阶:将 $n$ 替换为 $n-1$,得到 $S_{n-1}$ 与 $a_{n-1}$ 的关系式 ②(注意 $n \ge 2$)。 3. 作差:① - ②,消去 $S_n$ 和 $S_{n-1}$,得到 $a_n$ 与 $a_{n-1}$ 的递推关系。 4. 验证首项:单独计算 $a_1 = S_1$,检查 $a_1$ 是否满足上述递推关系。 * 若满足,则通项公式对 $n \ge 1$ 成立。 * 若不满足,则通项公式需分段写:$a_1$ 单独列出,$n \ge 2$ 用递推式推导。 关键点:强调 $n=1$ 时的特殊性,这是逻辑严密性的体现。
适合:直观思维强、喜欢找规律的学生** **核心思路:结构观察法** 1. **观察结构
看 $S_n$ 的表达式是否包含 $a_n$。 * 若 $S_n = k a_n + b$ 形式,移项得 $S_n - k a_n = b$。 * 利用 $a_n = S_n - S_{n-1}$,代入得 $S_n - k(S_n - S_{n-1}) = b$,整理得 $S_n$ 与 $S_{n-1}$ 的递推关系。 2. 转化目标:此时问题转化为求 $S_n$ 的通项,再求 $a_n$。 3. 适用场景:特别适用于 $S_n$ 与 $a_n$ 呈线性关系的情况。 关键点:将“求 $a_n$”转化为“先求 $S_n$”,降低思维跨度。
适合:计算能力强、喜欢快速解题的学生** **核心思路:待定系数构造法(针对特定形式)** 1. **识别模型
若关系式为 $S_n = p a_n + q$ ($p \neq 1$)。 2. 构造等比: * 由 $S_n = p a_n + q$ 得 $S_n - p S_{n-1} = p a_n + q - p(S_{n-1} - S_{n-2})$... 此路较繁。 * 更优路径:由 $a_n = S_n - S_{n-1}$ 代入原式 $S_n = p(S_n - S_{n-1}) + q$,整理得 $(1-p)S_n = p S_{n-1} + q$,即 $S_n = \frac{p}{1-p} S_{n-1} + \frac{q}{1-p}$。 * 这是一个一阶线性递推,可构造 $S_n + \lambda$ 为等比数列。 3. 直接结论:对于 $S_n = p a_n + q$,数列 $\{a_n\}$ 从第二项起是公比为 $\frac{p}{1-p}$ 的等比数列(需验证首项)。 关键点:提供快速通道,但必须强调验证 $a_1$。
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练一道
基础题
已知数列 $\{a_n\}$ 的前 $n$ 项和为 $S_n$,且 $S_n = 2a_n - 1$。求 $\{a_n\}$ 的通项公式。
变式
已知数列 $\{a_n\}$ 的前 $n$ 项和为 $S_n$,且 $S_n = 3a_n + 2$。求 $\{a_n\}$ 的通项公式。
试试手自己判
检测题
已知数列 $\{a_n\}$ 的前 $n$ 项和为 $S_n$,且 $S_n = 4a_n + 3$。求 $a_n$。
看答案和判分标准
答案:$a_n = \begin{cases} -1, & n=1 \\ -\frac{4}{3} \cdot (-\frac{4}{3})^{n-2}, & n \ge 2 \end{cases}$ 即 $a_n = -\frac{4}{3} \cdot (-\frac{4}{3})^{n-2}$ ($n \ge 2$),$a_1 = -1$。 或者写成:$a_1 = -1$,当 $n \ge 2$ 时,$a_n = -\frac{4}{3} \cdot (-\frac{4}{3})^{n-2}$。
判对标准:
1. 正确求出 $a_1 = -1$。(2分)
2. 正确推导出 $n \ge 2$ 时 $a_n = -\frac{4}{3} a_{n-1}$。(2分)
3. 关键:明确指出 $a_1$ 不满足 $n \ge 2$ 的递推关系(因为 $a_2 = -4/3$,而 $-\frac{4}{3} a_1 = 4/3 \neq a_2$),因此通项公式必须分段,或者指出 $n \ge 2$ 时构成等比数列。(4分)
4. 若写出统一公式 $a_n = -\frac{4}{3} \cdot (-\frac{4}{3})^{n-1}$ 且未验证 $n=1$,判错。(0分)
5. 若分段写出 $a_1=-1$ 和 $n \ge 2$ 的等比通项,判对。(满分)
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