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所谓构造法,就是在解决某些数学问题的过程中,通过对条件和结论的充分变形与剖析,借助适当的、熟知的模型,以此促成命题的转换,而后获得新的解题策略.这种解题方法的主要亮点就是“构造”.
1. 构造成等差数列
将递推公式变形成[f(n+1)-f(n)=a]([a]为常数)形式,先求新的等差数列[{f(n)}]的通项公式,再根据[f(n)]与[an]的关系求出[an]的通项公式.
题型I 对形如[an+1=AanBan+A(A、B为常数)]的递推公式,可以用倒数法来构造.
例1 在数列[an]中,[a1=1,an+1=2anan+2],求数列[an]通项公式.
解析 把[an+1=2anan+2]两边取倒数,得
[1an+1=1an+12].
设[bn=1an],则[bn+1-bn=12],且[b1=1],
∴数列[bn]是首项为1,公差[12]的等差数列.
∴[bn=1+12(n-1)=n+12],
∴[an=2n+1]为所求.
2. 构造成等比数列
将递推公式变形成[f(n+1)f(n)=a]([a]为非零常数)形式,先求新的等差数列[{f(n)}]的通项公式,再根据[f(n)]与[an]的关系求出[an]的通项公式.
题型Ⅱ 对形如[an+1=pan+q(p≠1,q]为常数),令[an+1+λ=p(an+λ)]来构造一个新的等比数列,并利用对应项相等求[λ]的值,求通项公式.
例2 在数列[an]中,[a1=1,an+1=3an+4],求[an].
解析 递推式[an+1=3an+4]可用待定系数法变形为[an+1+2=3(an+2)],令[bn=an+2],那么数列[bn]就是首项为3,公比为3的等比数列. 通过求[bn]的通项公式达到求[an]的目的.
例3 在数列[an]中,[a1=1,an+1=4an+][3n+1],求数列的通项公式.
解析 注意到递推式中的[(3n+1)]是关于[n]的一次式,用待定系数法来构造相关的递推式为:[an+1+A(n+1)+B=4(an+An+B)](其中[A、B]为待定系数).
展开得[an+1=4an+3An+3B-A],与题给递推式比较,
解得[A=1,B=23.]
[∴an+1+(n+1)+23=4(an+n+23)],
∴[an+n+23=83⋅3n-1].
∴数列通项公式为[an=83⋅3n-1-n-23].
点拨 事实上,上述两例使用的方法是相同的,例3只是把例2中的[q]改成了关于[n]的一次式,其实它还可以变化,而不仅仅只变为关于[n]的一次式!
例4 在数列[an]中,[a1=3,an+1=][2an+3⋅2n+1],求[an].
解析 [∵an+1=2an+3×2n+1,][∴an+12n+1-an2n=3,]
[又a12=32],
[∴an2n]是首项为[32],公差为3的等差数列.
[∴an2n=32+(n-1)×3=3n-32].
[∴an=(3n-32)⋅2n].
【思考】本题如果采用例3中的方法,可以怎么构造呢?
题型Ⅲ 对形如[an+2=Aan+1+Ban][(A、B]为常数)的递推公式,须用两次构造成等比数列的方法. 具体做法叫特征方程法——其特征方程为[x2=Ax+B],若方程两根为[α、β],则递推公式可构造成如下两种对称形式:[an+2-αan+1=β(an+1-αan),][an+2-βan+1=α(an+1-βan)],通过分别利用等比知识及加减消元法达到求[an]的目的.
例5 在数列[an]中,[a1=1,a2=3,an+2=2an+1][+3an],求[an].
解析 [∵an=2an-1+3an-2],
[∴an+an-1=3(an-1+an-2)].
而[a1+a2=7,∴an+an-1]是首项为7,公比为3的等比数列,则[an+an-1=7×3n-2]①
递推式又可变形为:
[an-3an-1=-(an-1-3an-2)],且[a2-3a1=-13],
[∴an-3an-1]是首项为-13,公比为-1的等比数列,则[an-3an-1=(-13)⋅(-1)n-2]②
由①[×3+]②得,[4an=7×3n-1+13×(-1)n-1].
[∴an=74×3n-1+134×(-1)n-1].
点拨 这种形式的构造方案——特征方程法也可以用在其它形式上,比如题型I的更一般形式:[an+1=Aan+CBan+D(A、B、C、D为常数)]的递推公式. 我们先考查特征方程[x=Ax+CBx+D],若其一个有理数特征根为[λ](无理数特征根在运算时比较繁琐,不提倡用此法),那么我们可以把递推式变形成[1an+1-λ=1Aan+CBan+D-λ],然后化简右边的繁分式直至(通过换元后)变形成题型Ⅱ.
题型Ⅳ 对形如[an+1=Aank][(A、k为常数,][且A>0)]的递推公式,可以通过两边取以[A(A≠1)]为底的对数,构造成一个新的等比数列,再达到求[an]的目的.
例6 在数列[an]中,[a1=1,an+1=3an2],求数列[an]通项公式.
解析 通过对[an+1=3an2]两边取以3为底的对数得,[log3an+1=2log3an+1],再令[bn=log3an],本题就变形成了上面提到的类型:[an+1=pan+q(p≠1,q]为常数).
3. 构造成差式
有些数列在给出递推公式后我们可以构造成差式,其解题的大致思路是:构造出该数列相邻两项的差,然后采用迭加(或迭代)的方法来求解.
例7 在数列[an]中,[a1=1,a2=3,an+2=][(n+3)an+1-(n+2)an],求通项公式[an].
解析 把递推式变形为
[an+2-an+1=(n+2)(an+1-an)],迭代下去,
[an+2-an+1=(n+2)(an+1-an)]
[=(n+2)(n+1)(an-an-1)]
[=⋯]
[=(n+2)(n+1)⋯×4×3(a2-a1)]
[=(n+2)!]
(注:[n]的阶层——[n!=n(n-1)(n-2)×⋯×2×1])
于是,[an-an-1=n!],
[an-1-an-2=(n-1)!],
…
[a2-a1=2!],
迭加得,[an=1+2!+3!+⋯+n!].
4. 构造成商式
有些数列在给出递推公式后,我们可以构造成商式. 其解题的思路是:构造数列相邻两项的商式,然后用连乘的方法来求解.这也是一种求数列通项公式的常用方法.
例8 在 数列[an]中,前[n]项的和[Sn=n2an],求[an].
解析 [∵Sn=n2an],[a1=12],
当[n≥2]时,[an=Sn-Sn-1=n2an-(n-1)2an-1].
化简并整理得:[anan-1=n-1n+1].
[∴an=anan-1⋅an-1an-2×⋯×a2a1⋅a1]
[=n-1n+1⋅n-2n×⋯×13⋅12][=1n(n+1).]
1. 构造成等差数列
将递推公式变形成[f(n+1)-f(n)=a]([a]为常数)形式,先求新的等差数列[{f(n)}]的通项公式,再根据[f(n)]与[an]的关系求出[an]的通项公式.
题型I 对形如[an+1=AanBan+A(A、B为常数)]的递推公式,可以用倒数法来构造.
例1 在数列[an]中,[a1=1,an+1=2anan+2],求数列[an]通项公式.
解析 把[an+1=2anan+2]两边取倒数,得
[1an+1=1an+12].
设[bn=1an],则[bn+1-bn=12],且[b1=1],
∴数列[bn]是首项为1,公差[12]的等差数列.
∴[bn=1+12(n-1)=n+12],
∴[an=2n+1]为所求.
2. 构造成等比数列
将递推公式变形成[f(n+1)f(n)=a]([a]为非零常数)形式,先求新的等差数列[{f(n)}]的通项公式,再根据[f(n)]与[an]的关系求出[an]的通项公式.
题型Ⅱ 对形如[an+1=pan+q(p≠1,q]为常数),令[an+1+λ=p(an+λ)]来构造一个新的等比数列,并利用对应项相等求[λ]的值,求通项公式.
例2 在数列[an]中,[a1=1,an+1=3an+4],求[an].
解析 递推式[an+1=3an+4]可用待定系数法变形为[an+1+2=3(an+2)],令[bn=an+2],那么数列[bn]就是首项为3,公比为3的等比数列. 通过求[bn]的通项公式达到求[an]的目的.
例3 在数列[an]中,[a1=1,an+1=4an+][3n+1],求数列的通项公式.
解析 注意到递推式中的[(3n+1)]是关于[n]的一次式,用待定系数法来构造相关的递推式为:[an+1+A(n+1)+B=4(an+An+B)](其中[A、B]为待定系数).
展开得[an+1=4an+3An+3B-A],与题给递推式比较,
解得[A=1,B=23.]
[∴an+1+(n+1)+23=4(an+n+23)],
∴[an+n+23=83⋅3n-1].
∴数列通项公式为[an=83⋅3n-1-n-23].
点拨 事实上,上述两例使用的方法是相同的,例3只是把例2中的[q]改成了关于[n]的一次式,其实它还可以变化,而不仅仅只变为关于[n]的一次式!
例4 在数列[an]中,[a1=3,an+1=][2an+3⋅2n+1],求[an].
解析 [∵an+1=2an+3×2n+1,][∴an+12n+1-an2n=3,]
[又a12=32],
[∴an2n]是首项为[32],公差为3的等差数列.
[∴an2n=32+(n-1)×3=3n-32].
[∴an=(3n-32)⋅2n].
【思考】本题如果采用例3中的方法,可以怎么构造呢?
题型Ⅲ 对形如[an+2=Aan+1+Ban][(A、B]为常数)的递推公式,须用两次构造成等比数列的方法. 具体做法叫特征方程法——其特征方程为[x2=Ax+B],若方程两根为[α、β],则递推公式可构造成如下两种对称形式:[an+2-αan+1=β(an+1-αan),][an+2-βan+1=α(an+1-βan)],通过分别利用等比知识及加减消元法达到求[an]的目的.
例5 在数列[an]中,[a1=1,a2=3,an+2=2an+1][+3an],求[an].
解析 [∵an=2an-1+3an-2],
[∴an+an-1=3(an-1+an-2)].
而[a1+a2=7,∴an+an-1]是首项为7,公比为3的等比数列,则[an+an-1=7×3n-2]①
递推式又可变形为:
[an-3an-1=-(an-1-3an-2)],且[a2-3a1=-13],
[∴an-3an-1]是首项为-13,公比为-1的等比数列,则[an-3an-1=(-13)⋅(-1)n-2]②
由①[×3+]②得,[4an=7×3n-1+13×(-1)n-1].
[∴an=74×3n-1+134×(-1)n-1].
点拨 这种形式的构造方案——特征方程法也可以用在其它形式上,比如题型I的更一般形式:[an+1=Aan+CBan+D(A、B、C、D为常数)]的递推公式. 我们先考查特征方程[x=Ax+CBx+D],若其一个有理数特征根为[λ](无理数特征根在运算时比较繁琐,不提倡用此法),那么我们可以把递推式变形成[1an+1-λ=1Aan+CBan+D-λ],然后化简右边的繁分式直至(通过换元后)变形成题型Ⅱ.
题型Ⅳ 对形如[an+1=Aank][(A、k为常数,][且A>0)]的递推公式,可以通过两边取以[A(A≠1)]为底的对数,构造成一个新的等比数列,再达到求[an]的目的.
例6 在数列[an]中,[a1=1,an+1=3an2],求数列[an]通项公式.
解析 通过对[an+1=3an2]两边取以3为底的对数得,[log3an+1=2log3an+1],再令[bn=log3an],本题就变形成了上面提到的类型:[an+1=pan+q(p≠1,q]为常数).
3. 构造成差式
有些数列在给出递推公式后我们可以构造成差式,其解题的大致思路是:构造出该数列相邻两项的差,然后采用迭加(或迭代)的方法来求解.
例7 在数列[an]中,[a1=1,a2=3,an+2=][(n+3)an+1-(n+2)an],求通项公式[an].
解析 把递推式变形为
[an+2-an+1=(n+2)(an+1-an)],迭代下去,
[an+2-an+1=(n+2)(an+1-an)]
[=(n+2)(n+1)(an-an-1)]
[=⋯]
[=(n+2)(n+1)⋯×4×3(a2-a1)]
[=(n+2)!]
(注:[n]的阶层——[n!=n(n-1)(n-2)×⋯×2×1])
于是,[an-an-1=n!],
[an-1-an-2=(n-1)!],
…
[a2-a1=2!],
迭加得,[an=1+2!+3!+⋯+n!].
4. 构造成商式
有些数列在给出递推公式后,我们可以构造成商式. 其解题的思路是:构造数列相邻两项的商式,然后用连乘的方法来求解.这也是一种求数列通项公式的常用方法.
例8 在 数列[an]中,前[n]项的和[Sn=n2an],求[an].
解析 [∵Sn=n2an],[a1=12],
当[n≥2]时,[an=Sn-Sn-1=n2an-(n-1)2an-1].
化简并整理得:[anan-1=n-1n+1].
[∴an=anan-1⋅an-1an-2×⋯×a2a1⋅a1]
[=n-1n+1⋅n-2n×⋯×13⋅12][=1n(n+1).]