(18)(本小题满分13分) 设 a _ n 是等比数列,…——2018 高考数学第 18 题答案解析

2018_天津 Paper

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(18)(本小题满分13分)

设 $\left\{ a _ { n } \right\}$ 是等比数列,公比大于0,其前n项和为 $S _ { n } ( n \in \mathbf { N } ^ { * } )$ $\left\{ b _ { n } \right\}$ 是等差数列. 已知 $a _ { \scriptscriptstyle 1 } = 1$

$$ a _ { 3 } = a _ { 2 } + 2 ~ , ~ a _ { 4 } = b _ { 3 } + b _ { 5 } ~ , ~ a _ { 5 } = b _ { 4 } + 2 b _ { 6 } . $$

(I)求 $\left\{ a _ { n } \right\}$ 和 $\left\{ b _ { n } \right\}$ 的通项公式;

(II)设数列 $\{ S _ { n } \}$ 的前n项和为 $T _ { n } ( n \in \mathbf { N } ^ { * } )$

(i)求 $T _ { n }$ ;

(ii)证明 $\sum _ { k = 1 } ^ { n } { \frac { ( T _ { k } + b _ { k + 2 } ) b _ { k } } { ( k + 1 ) ( k + 2 ) } } { = } { \frac { 2 ^ { n + 2 } } { n + 2 } } - 2 ( n \in \mathbf { N } ^ { * } )$

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(I)设等比数列 $\{a_n\}$ 的公比为 $q$。
由 $a_1=1$ 及 $a_3 = a_2 + 2$,得 $q^2 = q + 2$,即 $q^2 - q - 2 = 0$。
解得 $q=2$ 或 $q=-1$。
因为公比大于 0,所以 $q=2$。
故 $\{a_n\}$ 的通项公式为 $a_n = 1 \cdot 2^{n-1} = 2^{n-1}$。

设等差数列 $\{b_n\}$ 的公差为 $d$。
由 $a_4 = b_3 + b_5$,得 $2^3 = (b_1 + 2d) + (b_1 + 4d)$,即 $8 = 2b_1 + 6d$,化简得 $b_1 + 3d = 4$ ①。
由 $a_5 = b_4 + 2b_6$,得 $2^4 = (b_1 + 3d) + 2(b_1 + 5d)$,即 $16 = 3b_1 + 13d$ ②。
联立 ①② 解得 $b_1 = 1, d = 1$。
故 $\{b_n\}$ 的通项公式为 $b_n = 1 + (n-1) \cdot 1 = n$。

(II)(i)由(I)知 $a_n = 2^{n-1}$,则前 $n$ 项和 $S_n = \frac{1(1-2^n)}{1-2} = 2^n - 1$。
数列 $\{S_n\}$ 的前 $n$ 项和 $T_n$ 为:
$$ T_n = \sum_{k=1}^n S_k = \sum_{k=1}^n (2^k - 1) = \sum_{k=1}^n 2^k - \sum_{k=1}^n 1 $$
其中 $\sum_{k=1}^n 2^k$ 是首项为 2、公比为 2 的等比数列求和,即 $\frac{2(1-2^n)}{1-2} = 2^{n+1} - 2$。
所以 $T_n = (2^{n+1} - 2) - n = 2^{n+1} - n - 2$。

(ii)记通项为 $c_k = \frac{(T_k + b_{k+2})b_k}{(k+1)(k+2)}$。
将 $T_k = 2^{k+1} - k - 2$ 和 $b_k = k$ 代入分子中的 $T_k + b_{k+2}$:
$$ T_k + b_{k+2} = (2^{k+1} - k - 2) + (k+2) = 2^{k+1} $$
所以
$$ c_k = \frac{2^{k+1} \cdot k}{(k+1)(k+2)} $$
为了利用裂项相消法求和,我们将 $c_k$ 变形。观察目标式右边形式,尝试构造差分:
$$ \frac{2^{k+2}}{k+2} - \frac{2^{k+1}}{k+1} = \frac{2^{k+1} \cdot 2(k+1) - 2^{k+1}(k+2)}{(k+1)(k+2)} = \frac{2^{k+1}(2k+2-k-2)}{(k+1)(k+2)} = \frac{k \cdot 2^{k+1}}{(k+1)(k+2)} $$
这与 $c_k$ 完全一致。
因此,
$$ \sum_{k=1}^n c_k = \sum_{k=1}^n \left( \frac{2^{k+2}}{k+2} - \frac{2^{k+1}}{k+1} \right) $$
展开求和:
$$ \begin{aligned} \text{原式} &= \left( \frac{2^3}{3} - \frac{2^2}{2} \right) + \left( \frac{2^4}{4} - \frac{2^3}{3} \right) + \cdots + \left( \frac{2^{n+2}}{n+2} - \frac{2^{n+1}}{n+1} \right) \\ &= -\frac{2^2}{2} + \frac{2^{n+2}}{n+2} \\ &= -2 + \frac{2^{n+2}}{n+2} \\ &= \frac{2^{n+2}}{n+2} - 2 \end{aligned} $$
证毕。

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