数列求和问题的几种常见解法

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  【中图分类号】G623.5【文献标识码】B 【文章编号】1001-4128(2011)02-0113-01
  解决数列求和这类问题的技巧性较强,它没有一般的通用方法,但只要认真分析、思考,还是有一定的规律可循,现将几种常见的解法总结如下:
  1 公式法
  当数列为等差数列或等比数列时,可用公式求解。
  例1在国际象棋棋盘的第一格内放1粒麦子,在第二格内放2粒,照此下去,每一格内所放的麦子都是前一格的2倍,共要放多少粒麦子?
  解:所需麦子数为:1+2+22+23+•••+263=(1-qn)1-q=1-2641-2=264-1
  2 错位相减法
  例2求和:1+2x+ 3x2 +•••+ nxn-1(x≠1)
  解:设Sn =1+ 2x+ 3x2 +•••+ nxn-1
  则x Sn =x+ 2x2+ 3x3+•••+ nxn
  两式相减得:(1-x) Sn=1+ x + x2 +•••+ xn-1 - nxn=1-xn1-x- nxn
  则Sn=1-(n+1)xn+nxn+1(1-x)2
  这种求和方法具有一般性,等比数列的求和公式就是用这種方法推导出来的。它的基本思路是,根据求和的意义,列出关于Sn的和式,将其变形、运算,设法求出易于求和的表达式,从而求得数列和。再比如以下问题也可用此方法:
  1. 求10+200+3000+•••+ n•10n的和;
  2. 求23+432+633+ •••+2n3n的和。
  3 分组法
  有时可以把一个数列分解成几个数列的和或差,利用基本数列的求和公式来求该数列的和。基本数列求和公式,除了一般的等差、等比数列的求和公式外,常用的还有:
  12 + 22 + •••+ n2 =16n(n+1)(2n+1)
  13 + 23 + •••+ n3 = [12n(n+1)]2等。
  例3求和:Sn =1×32 + 2•52 +•••+ n×(2n+1)2
  解:Sn=∑nk=1k(2k+1)2=∑nk=1(4k3+4k2+k)= 4∑nk=1k3+ 4∑nk=1k2+∑nk=1k= 4[12n(n+1)]2+ 4•16n(n+1)(2n+1)+12n(n+1)=16 n(n+1)(6n2+14n+7)
  4 裂项法
  对于数列{an},如果可以将其通项an拆成另一通项为bn的数列{bn}的相邻两项的差,即an = bn+1 - bn,那么数列{an}的前项和为bn+1- b1,这种求数列和的方法称为裂项法。
  例4求和:Sn= 1×2×3+ 2×3×4 + •••+ n(n+1)(n+2)
  解:由k(k+1)(k+2)=14[k(k+1)(k+2)(k+3) – (k-1)k(k+1)(k+2)]
  则Sn=∑nk=1k(k+1)(k+2)=14∑nk=1[k(k+1)(k+2)(k+3)-(k-1)k(k+1)(k+2)]=14{(1×2×3×4-0×1×2×3)+(2×3×4×5-1×2×3×4)•••+[(n(n+1)(n+2)(n+3)-(n-1)n(n+1)(n+2))]}=14[(n(n+1)(n+2)(n+3)-0]=14n(n+1)(n+2)(n3)
  用“裂项法”还可以求和:11×3+12×4+•••+1n×(n+2)
  5 枚举归纳法
  枚举n=1,2,3,•••时Sn的值,对其进行归纳,猜测Sn与n的关系,再用数学归纳法证明猜想的正确性。
  例5求和:Sn=1×2×3×4 + 2×3×4×5 + 3×4×5×6 + ••• + n(n+1)(n+2)(n+3)
  解:S2=1×2×3×4 + 2×3×4×5=2×3×4×5×(15+1)=2×3×4×5×6×15
  猜测Sn=15[n(n+1)(n+2)(n+3)(n+4)]
  下面用数学归纳法证明猜想是正确的。
  当n=2时,猜想显然是正确的。假设当n=k时,猜想正确,即1×2×3×4 + 2×3×4×5 + 3×4×5×6 ++•••+ k(k+1)(k+2)(k+3) =15[k(k+1)(k+2)(k+3)(k+4)]
  则当n=k+1时:[1×2×3×4 + 2×3×4×5 + 3×4×5×6 + ••• + k(k+1)(k+2)(k+3)]+(k+1)(k+2)(k+3)(k+4)
  =15[k(k+1)(k+2)(k+3)(k+4)] + (k+1)(k+2)(k+3)(k+4) = (k+1)(k+2)(k+3)(k+4)(k5+1) = 15[(k+1)(k+2)(k+3)(k+4)(k+5)]
  即n=k+1时原等式仍然成立。由数学归纳法可知猜想正确。
  6 复数法
  某些数列,可以构造一个复数数列,利用复数的性质来求数列的和。
  例6 求和:S1=c1n-c3n+c5n-c7n+ •••;
  S2=c0n-c2n+c4n-c6n+ •••;
  解:由(1+i)n=[2(cosπ4+isinπ4)]n=2n(cosnπ4+isinnπ4)=2ncosnπ4+i2nsinnπ4
  又(1+i)n=c0n+c1ni+c2ni2+•••+cnnin
  =(c0n-c2n+c4n-c6n+ •••)+ i(c1n-c3n+c5n-c7n+ •••)
  故S2+ i S1= (c0n-c2n+c4n-c6n+•••)+ i(c1n-c3n+c5n-c7n+ •••)
  =2ncosnπ4+i2nsinnπ4
  由复数相等的定义,得S1=2nsinnπ4,S2=2ncosnπ4
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