设数列 a _ n 的前n项和为 S _ n。已知 2 S…——2015 高考数学第 18 题答案解析

2015_省自主命题(山东)

2015 山东 第 18 题 解答题 区分题
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18.设数列 $\left\{ a _ { n } \right\}$ 的前n项和为 $S _ { n }$ 。已知 $2 S _ { n } = 3 ^ { n } + 3$

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

(Ⅱ)若数列 $\left\{ b _ { _ n } \right\}$ 满足 $a _ { n } b _ { n } = \log _ { 3 } ^ { 2 }$ ,求 $\left\{ b _ { _ n } \right\}$ 的前 n 项和 $T _ { \phantom { } _ { n } }$ 。

参考答案

(I) $a _ { n } = \left\{ \begin{array} { l l } { { 3 , } } & { { n = 1 , } } \\ { { 3 ^ { n - 1 } , } } & { { n > 1 , } } \end{array} \right.$ ; (II) $T _ { n } = \frac { 1 3 } { 1 2 } + \frac { 6 n + 3 } { 4 \times 3 ^ { n } }$ 解析过程: 解:(I)因为 $2 S _ { n } = 3 ^ { n } + 3$ 所以, $2 a _ { 1 } = 3 + 3$ ,故 $a _ { \mathrm { 1 } } = 3 _ { \cdot }$ 当 $n > 1$ 时, $2 S _ { n - 1 } = 3 ^ { n - 1 } + 3 ,$ 此时, $2 a _ { n } = 2 S _ { n } - 2 S _ { n - 1 } = 3 ^ { n } - 3 ^ { n - 1 }$ ,即 $a _ { n } = 3 ^ { n - 1 }$ 所以, $a _ { n } = { \left\{ \begin{array} { l l } { 3 } & { n = 1 } \\ { 3 ^ { n - 1 } n \geq 2 } \end{array} \right. }$ (II)因为 $a _ { n } b _ { n } = \log _ { 3 } a _ { n } , b _ { 1 } = { \frac { 1 } { 3 } }$ 当 $n > 1$ 时, $b _ { n } = 3 ^ { 1 - n } \log _ { 3 } 3 ^ { n - 1 } = ( n - 1 ) \cdot 3 ^ { 1 - n }$ 所以 $T _ { 1 } = b _ { 1 } = \frac { 1 } { 3 }$ ,当 $n > 1$ 时, $$ T _ { n } = b _ { 1 } + b _ { 2 } + \cdots + b _ { n } = { \frac { 1 } { 3 } } + ( 1 \times 3 ^ { - 1 } + 2 \times 3 ^ { - 2 } + \cdots + ( n - 1 ) 3 ^ { 1 - n } ) $$ 所以 $3 T _ { n } = 1 + ( 1 \times 3 ^ { 0 } + 2 \times 3 ^ { 1 } + \cdots + ( n - 1 ) 3 ^ { 2 - n } )$ 两式相减得, $$ 2 T _ { n } = { \frac { 2 } { 3 } } + ( 3 ^ { 0 } + 3 ^ { 1 } + 3 ^ { 2 - n } ) - ( n - 1 ) \cdot 3 ^ { 1 - n } $$ $$ = { \frac { 2 } { 3 } } + { \frac { 1 - 3 ^ { 1 - n } } { 1 - 3 ^ { - 1 } } } - ( n - 1 ) \cdot 3 ^ { 1 - n } = { \frac { 1 3 } { 6 } } - { \frac { 6 n + 3 } { 2 \times 3 ^ { n } } } $$ 所以, $T _ { n } = \frac { 1 3 } { 1 2 } + \frac { 6 n + 3 } { 4 \times 3 ^ { n } }$ ,经检验,n =1时也适合, 综上, $T _ { n } = \frac { 1 3 } { 1 2 } + \frac { 6 n + 3 } { 4 \times 3 ^ { n } }$

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【答案】(I) $a _ { n } = \left\{ \begin{array} { l l } { { 3 , } } & { { n = 1 , } } \\ { { 3 ^ { n - 1 } , } } & { { n > 1 , } } \end{array} \right.$ ; (II) $T _ { n } = \frac { 1 3 } { 1 2 } + \frac { 6 n + 3 } { 4 \times 3 ^ { n } }$ 解析过程: 解:(I)因为 $2 S _ { n } = 3 ^ { n } + 3$ 所以, $2 a _ { 1 } = 3 + 3$ ,故 $a _ { \mathrm { 1 } } = 3 _ { \cdot }$ 当 $n > 1$ 时, $2 S _ { n - 1 } = 3 ^ { n - 1 } + 3 ,$ 此时, $2 a _ { n } = 2 S _ { n } - 2 S _ { n - 1 } = 3 ^ { n } - 3 ^ { n - 1 }$ ,即 $a _ { n } = 3 ^ { n - 1 }$ 所以, $a _ { n } = { \left\{ \begin{array} { l l } { 3 } & { n = 1 } \\ { 3 ^ { n - 1 } n \geq 2 } \end{array} \right. }$ (II)因为 $a _ { n } b _ { n } = \log _ { 3 } a _ { n } , b _ { 1 } = { \frac { 1 } { 3 } }$ 当 $n > 1$ 时, $b _ { n } = 3 ^ { 1 - n } \log _ { 3 } 3 ^ { n - 1 } = ( n - 1 ) \cdot 3 ^ { 1 - n }$ 所以 $T _ { 1 } = b _ { 1 } = \frac { 1 } { 3 }$ ,当 $n > 1$ 时, $$ T _ { n } = b _ { 1 } + b _ { 2 } + \cdots + b _ { n } = { \frac { 1 } { 3 } } + ( 1 \times 3 ^ { - 1 } + 2 \times 3 ^ { - 2 } + \cdots + ( n - 1 ) 3 ^ { 1 - n } ) $$ 所以 $3 T _ { n } = 1 + ( 1 \times 3 ^ { 0 } + 2 \times 3 ^ { 1 } + \cdots + ( n - 1 ) 3 ^ { 2 - n } )$ 两式相减得, $$ 2 T _ { n } = { \frac { 2 } { 3 } } + ( 3 ^ { 0 } + 3 ^ { 1 } + 3 ^ { 2 - n } ) - ( n - 1 ) \cdot 3 ^ { 1 - n } $$ $$ = { \frac { 2 } { 3 } } + { \frac { 1 - 3 ^ { 1 - n } } { 1 - 3 ^ { - 1 } } } - ( n - 1 ) \cdot 3 ^ { 1 - n } = { \frac { 1 3 } { 6 } } - { \frac { 6 n + 3 } { 2 \times 3 ^ { n } } } $$ 所以, $T _ { n } = \frac { 1 3 } { 1 2 } + \frac { 6 n + 3 } { 4 \times 3 ^ { n } }$ ,经检验,n =1时也适合, 综上, $T _ { n } = \frac { 1 3 } { 1 2 } + \frac { 6 n + 3 } { 4 \times 3 ^ { n } }$

【解析】答案:(I) $a _ { n } = \left\{ \begin{array} { l l } { { 3 , } } & { { n = 1 , } } \\ { { 3 ^ { n - 1 } , } } & { { n > 1 , } } \end{array} \right.$ ; (II) $T _ { n } = \frac { 1 3 } { 1 2 } + \frac { 6 n + 3 } { 4 \times 3 ^ { n } }$

解析过程:

解:(I)因为 $2 S _ { n } = 3 ^ { n } + 3$

所以, $2 a _ { 1 } = 3 + 3$ ,故 $a _ { \mathrm { 1 } } = 3 _ { \cdot }$

当 $n > 1$ 时, $2 S _ { n - 1 } = 3 ^ { n - 1 } + 3 ,$

此时, $2 a _ { n } = 2 S _ { n } - 2 S _ { n - 1 } = 3 ^ { n } - 3 ^ { n - 1 }$ ,即 $a _ { n } = 3 ^ { n - 1 }$

所以, $a _ { n } = { \left\{ \begin{array} { l l } { 3 } & { n = 1 } \\ { 3 ^ { n - 1 } n \geq 2 } \end{array} \right. }$

(II)因为 $a _ { n } b _ { n } = \log _ { 3 } a _ { n } , b _ { 1 } = { \frac { 1 } { 3 } }$

当 $n > 1$ 时, $b _ { n } = 3 ^ { 1 - n } \log _ { 3 } 3 ^ { n - 1 } = ( n - 1 ) \cdot 3 ^ { 1 - n }$

所以 $T _ { 1 } = b _ { 1 } = \frac { 1 } { 3 }$ ,当 $n > 1$ 时,

$$ T _ { n } = b _ { 1 } + b _ { 2 } + \cdots + b _ { n } = { \frac { 1 } { 3 } } + ( 1 \times 3 ^ { - 1 } + 2 \times 3 ^ { - 2 } + \cdots + ( n - 1 ) 3 ^ { 1 - n } ) $$

所以 $3 T _ { n } = 1 + ( 1 \times 3 ^ { 0 } + 2 \times 3 ^ { 1 } + \cdots + ( n - 1 ) 3 ^ { 2 - n } )$

两式相减得,

$$ 2 T _ { n } = { \frac { 2 } { 3 } } + ( 3 ^ { 0 } + 3 ^ { 1 } + 3 ^ { 2 - n } ) - ( n - 1 ) \cdot 3 ^ { 1 - n } $$

$$ = { \frac { 2 } { 3 } } + { \frac { 1 - 3 ^ { 1 - n } } { 1 - 3 ^ { - 1 } } } - ( n - 1 ) \cdot 3 ^ { 1 - n } = { \frac { 1 3 } { 6 } } - { \frac { 6 n + 3 } { 2 \times 3 ^ { n } } } $$

所以, $T _ { n } = \frac { 1 3 } { 1 2 } + \frac { 6 n + 3 } { 4 \times 3 ^ { n } }$ ,经检验,n =1时也适合,

综上, $T _ { n } = \frac { 1 3 } { 1 2 } + \frac { 6 n + 3 } { 4 \times 3 ^ { n } }$

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