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数学
题目

记Sn为数列(an)的前n项和.已知((2{S_n)})/(n)+n=2an+1.(1)证明:(an)是等差数列;(2)若a4,a7,a9成等比数列,求Sn的最小值.

记Sn为数列{an}的前n项和.已知$\frac{{2{S_n}}}{n}$+n=2an+1.
(1)证明:{an}是等差数列;
(2)若a4,a7,a9成等比数列,求Sn的最小值.

题目解答

答案

解:(1)证明:由已知有:$2{S}_{n}+{n}^{2}=2n{a}_{n}+n$⋯①,
把n换成n+1,$2{S}_{n+1}+(n+1)^{2}=2(n+1){a}_{n+1}+n+1$⋯②,
②-①可得:2an+1=2(n+1)an+1-2nan-2n,
整理得:an+1=an+1,
由等差数列定义有an为等差数列;
(2)由已知有${{a}_{7}}^{2}={a}_{4}•{a}_{9}$,设等差数列an的首项为x,由(1)有其公差为1,
故(x+6)2=(x+3)(x+8),解得x=-12,故a1=-12,
所以an=-12+(n-1)×1=n-13,
故可得:a1<a2<a3<⋯<a12<0,a13=0,a14>0,
故Sn在n=12或者n=13时取最小值,${S}_{12}={S}_{13}=\frac{(-12+0)×13}{2}=-78$,
故Sn的最小值为-78.

解析

考查要点:本题主要考查等差数列的判定、等比数列的性质以及二次函数求最值的应用。

解题思路:

  1. 第一问:通过已知条件建立关于$S_n$和$a_n$的关系式,利用相邻项的递推关系推导出$a_{n+1} - a_n$为常数,从而证明数列是等差数列。
  2. 第二问:结合等差数列的通项公式和等比数列的性质,求出首项,进而得到通项表达式。通过分析数列的项的正负变化,确定前$n$项和的最小值。

破题关键:

  • 构造递推式:将原式转化为关于$S_n$的方程,通过$n$与$n+1$的差分消去$S_n$,得到$a_{n+1}$与$a_n$的关系。
  • 二次函数最值:利用等差数列求和公式,将$S_n$表示为关于$n$的二次函数,通过顶点位置或整数点比较求最小值。

第(1)题

建立初始方程

由题意,原式变形为:
$2S_n + n^2 = 2n a_n + n \quad \text{①}$

构造相邻项方程

将$n$替换为$n+1$,得:
$2S_{n+1} + (n+1)^2 = 2(n+1)a_{n+1} + (n+1) \quad \text{②}$

消去$S_n$,得到递推关系

② - ①得:
$2a_{n+1} + 2n + 1 = 2(n+1)a_{n+1} - 2n a_n + 1$
整理得:
$a_{n+1} = a_n + 1$
结论:公差$d=1$,数列$\{a_n\}$为等差数列。

第(2)题

设首项并代入等比条件

设首项为$a_1 = x$,公差$d=1$,则:
$a_4 = x+3, \quad a_7 = x+6, \quad a_9 = x+8$
由$a_7^2 = a_4 \cdot a_9$得:
$(x+6)^2 = (x+3)(x+8)$
解得$x = -12$,故通项公式为:
$a_n = n - 13$

分析数列项的正负

  • 当$n < 13$时,$a_n < 0$;当$n=13$时,$a_n=0$;当$n > 13$时,$a_n > 0$。

求前$n$项和的最小值

前$n$项和为:
$S_n = \frac{n(a_1 + a_n)}{2} = \frac{n(n-25)}{2}$
该二次函数开口向上,顶点在$n=12.5$,取整数$n=12$和$n=13$:
$S_{12} = S_{13} = \frac{13 \cdot (-12)}{2} = -78$

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