数列与函数的关系

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  中图分类号:G4  文献标识码:A  文章编号:(2020)-061
  数列是一种特殊的函数,本质上是一种离散函数。数列相关的函数是一次、二次和指数函数。连续函数又是数列的普遍化。数列和函数既有联系又有区别。各种各样的数列在实际生活中实用性特别好,比如说在社会中人口的增长与衰减、生物的细胞分裂、汽车的销售量与经济周期年份等等都要用到。取整函数是离散函数通往连续函数的桥梁。而回归分析又是离散数据通往连续函数的桥梁。离散数据既能变为连续函数,连续函数又能通过取整函数化为离散数据。这就是数学的神奇之处,又是数学好玩的地方,这种逆推的游戏使数学既能各自发展,又能左右逢源,合理圆润进取。
  函数思想是中学数学中的重要思想,而数列本身就是特殊的函数,故许多数列问题均可以从函数的角度去分析,去思考。从近几高年的新课改地区的高考题中,如2016年全国2卷17题
  17.等差数列{an}中,a3+a4=4,a5+a7=6.
  (Ⅰ)求{an}的通项公式;
  (Ⅱ)设bn=[an],求数列{bn}的前10项和,其中[x]表示不超过x的最大整数,如[0.9]=0,[2.6]=2.
  我们可以看出,新课标下对于数列的考察不再侧重于数列变数变形的技巧,而在于应用,用函数的思想去解决学数列中的问题就是其一。在上述17题中就运用了分段函数的思想,有点高数中取整函数的意思。y=[x]取整函数又叫高斯函数,高斯函数就像一座桥梁,它在数列与函数加起了一座桥梁。和给定实数x,我们可以对它进行一种特殊的运算-取整运算,即取出不超过x的最大整数部分,通常记为[x],[x]满足下面三个条件:
  (1)[x]是整数,(2)[x]<x (3)x<[x]+1,
  这就是说,整数[x]是不超过x,而由(3)可知,大于[x]的整数[x]+1,[x]+2,……都大于x,即[x]是不超过x的最大整数。
  x与[x]之间适合x-1≤[x]≤x≤[x]+1
  例如:[6]=6,[3.2]=3,[3]=1,[-4]=-4,[-0.1]=-1,[-3.5]=-4
  對于较小的x,我们不难求[x],对于较大的x,求[x]的基本方法还是回到试题本身。
  这是高斯函数在高数中的描述,值得注意的是现在的高考题有一部分是和高数相联系的知识点,有高数知识点下移的趋势。例如高数中的符号函数、狄利克雷函数。
  函数的应用是广泛的,中学数学中的初等函数,三角函数,数列以及解析几何都可以归结为函数,尤其是导数的引入为函数的研究增添了新的工具。因此在教学中注重函数思想是相当的重要,而且高考中对函数思想的考察力度也是比较大的。
  (1)数列中an与n之间的关系
  等差数列通向公式an=a1+(n-1)d=nd+a1-d=pn+q 即是一个以n为自变量an为应变量的特殊的一元一次函数。例1 已知等差数列an,其前n项和为Sn,是否存在常数k,使得ka2n-1=S2n-Sn+1成立。
  分析:将an看成是n的一次函数,设出函数解析式并代入进行求解.
  解:设存在常数k,使得ka2n-1=S2n-Sn+1成立,
  令an=pn+q(p、q为常数),
  则k(pn+q)2-1=S2n-Sn+1.①
  又∵Sn=p(1+2+…+n)+nq=p2n(n+1)+nq,,
  代入①式变为kp2n2+2kpqn+kq2-1=32·pn2+-12p+qn-(p+q),
  ∴kp2=32p,       ②2kpq=-12p+q,  ③kq2-1=-(p+q), ④
  由②,得p=0或kp=32.
  将p=0代入③、④不成立.
  将kp=代入③,得 q=-p4,
  代入④,得kp216-1=-p+p4,即3p32-1=-34p,
  ∴p=3227,从而得出k=8164.
  ∴存在常数k,使得ka2n-1=S2n-Sn+1成立.
  备注:存在型探索性问题,是指判断在某些确定条件下的某一数学对象(数值、图形、函数等)不确定的问题。这类问题常常出现“是否存在”“是否有”等形式的疑问句,以示结论有待于确定。解答此类问题的思路是:通常假设题中的数学对象存在(或结论成立)或暂且认可其中一部分的结论,然后在这个前提下进行逻辑推理,若由此导出矛盾,则否定假设;否则,给出肯定结论的证明。(2)构造一次函数模型,利用一次函数图象性质解题
  例2 等差数列an的前n项和为30,前2n项和为100,则它的前3n项和为(  )。
  (A)30  (B)170  (C)210  (D)260
  分析:运用等差数列求和公式,先对Sn=na1+n(n-1)2d进行变形,Snn=d2n+a1-d2,则Snn=d2n+a1-d2可以看成是关于n的一次函数,再利用点共线的性质求解。
  解:由Sn=na1+n(n-1)2d,可得Snn=d2n+a1-d2,
  由此可知数列Snn成等差数列,
  ∴n,Snn,2n,S2n2n,3n,S3n3n三点共线.
  ∴1002n-30n2n-n=S3n3n-30n3n-n,
  ∴S3n=210。
  备注:①Snn可以看成是关于n的一次函数,其图象是直线上的离散点,本题是利用点共线的条件建立方程求解S3n的。运用该法还可以推得在等差数列中若Sp=q,Sq=p(p≠q),则Sp+q=-p+q。②等差数列的通项公式an也可以看成是关于n的一次函数,利用该性质可推知等差数列中若ap=q,aq=p(p≠q),则ap+q=0   高中数学中等差数列前n项和公式sn=na1+12n(n-1)d=12n2+(a1-d2)n这样的变形也直接构成了一个特殊的离散的一元二次类函数。
  例3 已知等差数列an,首项a1,且S3=S10,问此数列前几项的和最大?最大值是多少?
  分析:等差数列前n项和Sn为特殊的二次函数,所以可采用配方法求其最值.
  解:设等差数列公差为d,前n项和为Sn,
  ∵S3=S10,即d=-16a1,
  ∴Sn=na1+12n(n-1)d=na1+12n(n-1)-16a1=-112a1n-1322+16948a1,
  ∴当n=6或n=7时,S6=S7=72a1为最大.
  备注:关于等差数列前n项和最大(小)问题,可转化为二次函数问题,再结合二次函数的最值问题加以分析,但应特别注意,当对称轴不是正自然数时,应将与对称轴最接近的两个自然数代入函数关
  系式,再求值比较,以便确定n取何值时,Sn最大(最小).
  什么是函数思想?简单地说,就是學会用函数和变量来思考,学会转化已知与未知的关系。在解题时,用函数思想做指导就需要把字母看作变量,把代数式看作函数,利用函数的性质做工具进行分析
  ,或者构造一个函数把表面上不是函数的问题化归为函数问题。函数是数学中最基本、最重要的概念。著名数学家笛卡尔说过:“函数是近现代数学思想之花”。如果一个学生只学习了函数的基本知识
  ,那么他永远的是被动解决函数之知识,而如果拥有了函数的思想,那么就能主动用函数去解决其他问题。从以下几个方面举例加以阐述
  例4 已知函数f(x)=2x-2-x,数列an满足f(log2an)=-2n.
  (1)求数列an的通项公式;
  (2)求证数列an是递减数列.
  分析:①本题已知函数关系式,并给出了an的关系式,将其看作关于an的方程解出即可.②数列是特殊的函数,借助函数的增减性的方法来证明数列的增减性.
  (1)解:∵f(x)=2x-2-x,f(log2an)=-2n,,
  ∴2log2an-2-log2an=-2n,即an-1an=-2n..
  ∴a2n+2nan-1=0,(※)
  解得 an=-n±n2+1
  又∵an>0,∴an=n2+1-n;
  (2)证明:由an+1an=(n+1)2+1-(n+1)n2+1-n=n2+1+n(n+1)2+1+(n+1)<1.
  又∵an>0,∴an+1<an..
  ∴数列an是递减数列.
  备注:本题主要应用函数与方程的思想解题,(※)式可看成是关于an的方程;而求出的通项公式又反映了an是关于n的函数.解题过程中an>0这个细节要注意.
  在高中数学中,有很多有趣的知识,在实际生活中也有很多应用,数列与函数只是讲了其中一个很细微的方面。很有趣的部分还有很多,如想知道请看下回分解。
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