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2.3 构造等比数列法

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 $a_n$ 与 $S_n$ 关系构造新数列,使其成为等比数列,从而求出 $a_n$ 的方法。

从哪来 基于 3.2 $S_n$与$a_n$的关系 建立递推式,结合 2.1 等比数列的定义 和 2.2 等比数列的通项公式 进行求解,最终通过 4.2 求通项的方法 落实结果。

为什么 当递推关系形如 $a_{n+1} = p a_n + q$($p \neq 1, q \neq 0$)时,直接求通项困难。通过待定系数法构造 $a_{n+1} + \lambda = p(a_n + \lambda)$,消去常数项 $q$,将原数列转化为公比为 $p$ 的等比数列 $\{a_n + \lambda\}$,从而借用等比数列通项公式求解。

讲法
适合:逻辑严密、擅长代数变形的学生 强调“待定系数法”的代数本质。 1. 设 $a_{n+1} + \lambda = p(a_n + \lambda)$。 2. 展开得 $a_{n+1} = p a_n + p\lambda - \lambda$。 3. 与原式 $a_{n+1} = p a_n + q$ 对比,令 $p\lambda - \lambda = q$,解得 $\lambda = \frac{q}{p-1}$。 4. 结论:数列 $\{a_n + \frac{q}{p-1}\}$ 是首项为 $a_1 + \frac{q}{p-1}$,公比为 $p$ 的等比数列。 *核心:通过代数恒等变形,强行凑出等比结构。*
讲法
适合:直观思维强、喜欢找规律的学生 强调“不动点”的几何意义。 1. 观察递推式 $a_{n+1} = p a_n + q$,想象这是一个线性变换。 2. 寻找“不动点” $x$,即满足 $x = px + q$ 的值,解得 $x = \frac{q}{p-1}$。 3. 这个 $x$ 就是数列趋向的中心(或偏移量)。 4. 构造新数列 $b_n = a_n - x$,则 $b_{n+1} = p b_n$。 5. 结论:$\{a_n - \frac{q}{p-1}\}$ 是等比数列。 *核心:把复杂的递推看作围绕一个固定值的缩放。*
适合:基础薄弱、容易混淆符号的学生** 强调“口诀”和“步骤化”。 1. **看形式
确认是 $a_{n+1} = p a_n + q$ 且 $p \neq 1$。 2. 算常数:记住公式 $\lambda = \frac{q}{p-1}$(分子是常数项,分母是系数减1)。 3. 写新式:写出 $a_{n+1} + \lambda = p(a_n + \lambda)$。 4. 套公式:$a_n + \lambda = (a_1 + \lambda) \cdot p^{n-1}$。 5. 解出 $a_n$:移项即可。 *核心:标准化操作流程,减少思考负担,先模仿后理解。*
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练一道
基础题
已知数列 $\{a_n\}$ 满足 $a_1 = 1$,$a_{n+1} = 2a_n + 3$,求 $a_n$。
变式
已知数列 $\{a_n\}$ 满足 $a_1 = 1$,$a_{n+1} = \frac{1}{2}a_n + 1$,求 $a_n$。
试试手自己判
检测题
已知数列 $\{a_n\}$ 满足 $a_1 = 2$,$a_{n+1} = 3a_n - 6$,求 $a_n$。
看答案和判分标准
答案:$a_n = 5 \cdot 3^{n-1} - 3$
判对标准:
1. 正确识别 $p=3, q=-6$。
2. 正确计算 $\lambda = \frac{-6}{3-1} = -3$。
3. 正确构造 $a_{n+1} - 3 = 3(a_n - 3)$。
4. 正确求出 $a_n - 3 = (2-3) \cdot 3^{n-1} = -3^{n-1}$。
5. 最终结果 $a_n = 3^{n-1} \cdot (-1) + 3$ 即 $3 - 3^{n-1}$ 或等价形式(注意:此处需仔细检查,$a_1=2$,若 $a_n = 5 \cdot 3^{n-1} - 3$,则 $a_1 = 5-3=2$,正确。若 $a_n = 3 - 3^{n-1}$,则 $a_1 = 3-1=2$,也正确?
*重新检查计算*:
$\lambda = -3$。
$b_n = a_n - 3$。
$b_1 = 2 - 3 = -1$。
$b_n = -1 \cdot 3^{n-1} = -3^{n-1}$。
$a_n = b_n + 3 = 3 - 3^{n-1}$。
*等等,之前的“答案”部分我写的是 $5 \cdot 3^{n-1} - 3$,这是错的。*
*修正答案*:$a_n = 3 - 3^{n-1}$。
*验证*:$n=1, a_1 = 3-1=2$ (对)。$n=2, a_2 = 3(2)-6=0$。公式 $3-3^1=0$ (对)。$n=3, a_3 = 3(0)-6=-6$。公式 $3-3^2=-6$ (对)。
*所以正确答案是 $a_n = 3 - 3^{n-1}$。*

修正后的判对标准:
1. 正确识别 $p=3, q=-6$。
2. 正确计算 $\lambda = \frac{-6}{3-1} = -3$。
3. 正确构造 $a_{n+1} - 3 = 3(a_n - 3)$。
4. 正确求出 $a_n - 3 = (2-3) \cdot 3^{n-1} = -3^{n-1}$。
5. 最终结果 $a_n = 3 - 3^{n-1}$。
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