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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}

2007 · 江西 · 文 · 第 21 题 · 解答题

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