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21数列★★★★☆
数列 {an}\{a_{n}\} 的通项 an=n2(cos⁡2nπ3−sin⁡2nπ3)a_{n} = n^{2}\left(\cos^{2}\frac{n\pi}{3} - \sin^{2}\frac{n\pi}{3}\right),其前 nn 项和为 SnS_{n}.
(1) 求 SnS_{n}; (2) bn=S3nn⋅4nb_{n}=\frac{S_{3n}}{n\cdot4^{n}},求数列 {bn}\{b_{n}\} 的前 nn 项和 TnT_{n}.
\begin{solution} \begin{enumerate} \item 利用 cos⁡2u−sin⁡2u=cos⁡2u\cos^{2}u-\sin^{2}u=\cos2u,得 an=n2cos⁡2nπ3a_n=n^{2}\cos\frac{2n\pi}{3}. 当 n=3j−2n=3j-2,3j−13j-1,3j3j 时,分别有 a3j−2=−12(3j−2)2a_{3j-2}=-\frac12(3j-2)^{2},a3j−1=−12(3j−1)2a_{3j-1}=-\frac12(3j-1)^{2},a3j=9j2a_{3j}=9j^{2}. 每三个连续项的和为
a3j−2+a3j−1+a3j=9j−52a_{3j-2}+a_{3j-1}+a_{3j}=9j-\frac52
所以
S3k=∑j=1k(9j−52)=k(9k+4)2=n(3n+4)6S_{3k}=\sum_{j=1}^{k}\left(9j-\frac52\right)=\frac{k(9k+4)}2=\frac{n(3n+4)}6
由 S3k−1=S3k−a3kS_{3k-1}=S_{3k}-a_{3k},得
S3k−1=k(9k+4)2−9k2=k(4−9k)2S_{3k-1}=\frac{k(9k+4)}2-9k^{2}=\frac{k(4-9k)}2
再由 S3k−2=S3k−1−a3k−1S_{3k-2}=S_{3k-1}-a_{3k-1},得
S3k−2=k(4−9k)2+(3k−1)22=−k+12S_{3k-2}=\frac{k(4-9k)}2+\frac{(3k-1)^{2}}2=-k+\frac12
因此
Sn={−n3−16,n=3k−2,(n+1)(1−3n)6,n=3k−1,n(3n+4)6,n=3k,k∈N∗S_n= \begin{cases} -\dfrac{n}{3}-\dfrac{1}{6},&n=3k-2,\\[4pt] \dfrac{(n+1)(1-3n)}6,&n=3k-1,\\[4pt] \dfrac{n(3n+4)}6,&n=3k, \end{cases} \qquad k\in\mathbf{N}^*
\item 由第一问在 3n3n 处的结果,
bn=S3nn⋅4n=9n+42⋅4nb_n=\frac{S_{3n}}{n\cdot4^n}=\frac{9n+4}{2\cdot4^n}
于是
Tn=12∑j=1n9j+44jT_n=\frac12\sum_{j=1}^{n}\frac{9j+4}{4^j}
将上式乘以 44 后与原式相减,得
3Tn=12(13+94+942+⋯+94n−1−9n+44n)=12(16−9n+164n)=8−9n+162⋅4n3T_n=\frac12\left(13+\frac94+\frac9{4^2}+\cdots+\frac9{4^{n-1}}-\frac{9n+4}{4^n}\right) =\frac12\left(16-\frac{9n+16}{4^n}\right) =8-\frac{9n+16}{2\cdot4^n}
因此
Tn=83−83⋅4n−3n2⋅4n=83−13⋅22n−3−3n22n+1T_n=\frac83-\frac{8}{3\cdot4^n}-\frac{3n}{2\cdot4^n} =\frac83-\frac{1}{3\cdot2^{2n-3}}-\frac{3n}{2^{2n+1}}
\end{enumerate} \end{solution}

2009 · 江西 · 文 · 第 21 题 · 解答题

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21数列★★★★☆
设 {an}\{a_{n}\} 为等比数列,a1=1a_1 = 1,a2=3a_2 = 3.
(1) 求最小的自然数 nn,使 an⩾2007a_n \geqslant 2007; (2) 求和:T2n=1a1−2a2+3a3−⋯−2na2nT_{2n} = \frac{1}{a_1} - \frac{2}{a_2} + \frac{3}{a_3} - \dots - \frac{2n}{a_{2n}}.
\begin{solution} \begin{enumerate} \item 等比数列的公比为 q=a2a1=3q=\frac{a_2}{a_1}=3,所以 an=3n−1a_n=3^{n-1}. 由于 36=729<2007⩽2187=373^6=729<2007\leqslant2187=3^7,故 n−1⩾7n-1\geqslant7,满足条件的最小自然数为 n=8n=8.
\item 由 ak=3k−1a_k=3^{k-1},有 T2n=∑k=12nk(−13)k−1T_{2n}=\sum_{k=1}^{2n}k\left(-\frac{1}{3}\right)^{k-1}. 令 r∈Rr\in\mathbf{R},由有限等比数列求和公式
1+r+r2+⋯+r2n=1−r2n+11−r1+r+r^2+\dots+r^{2n}=\frac{1-r^{2n+1}}{1-r}
两边对 rr 求导,得
1+2r+3r2+⋯+2nr2n−1=1−(2n+1)r2n+2nr2n+1(1−r)21+2r+3r^2+\dots+2nr^{2n-1}=\frac{1-(2n+1)r^{2n}+2nr^{2n+1}}{(1-r)^2}
令 r=−13r=-\frac{1}{3},则
T2n=1−2n+132n−2n32n+1(1+13)2=916(1−8n+332n+1)=916−8n+316⋅32n−1T_{2n}=\frac{1-\frac{2n+1}{3^{2n}}-\frac{2n}{3^{2n+1}}}{\left(1+\frac{1}{3}\right)^2}=\frac{9}{16}\left(1-\frac{8n+3}{3^{2n+1}}\right)=\frac{9}{16}-\frac{8n+3}{16\cdot3^{2n-1}}
\end{enumerate} \end{solution}

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