已知在数列{an}\{a_{n}\}中,a1=1a_{1}=1,其前nn项和为sns_{n},且an=2sn22sn−1(n⩾2)(1)a_{n}= \dfrac {2 s_{ n }^{ 2 }}{2s_{n}-1}(n\geqslant 2)(1)证明{1sn}\{ \dfrac {1}{s_{n}}\}是等差数列,并求数列{1sn}\{ \dfrac {1}{s_{n}}\}的前nn项和Pn(2)P_{n}(2)若bn=sn2n+1+2nsnb_{n}= \dfrac {s_{n}}{2n+1}+ \dfrac {2^{n}}{s_{n}}求数列的前项和TnT_{n}.

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完整解法

(1)

1. 利用 $a_n = s_n - s_{n-1}$ 改写已知递推关系

当 n⩾2n \geqslant 2 时,由 an=sn−sn−1a_n = s_n - s_{n-1} 及已知条件 an=2sn22sn−1a_n = \dfrac{2 s_n^2}{2 s_n - 1},可得:
sn−sn−1=2sn22sn−1s_n - s_{n-1} = \dfrac{2 s_n^2}{2 s_n - 1}

2. 推导 $\{\dfrac{1}{s_n}\}$ 的递推关系并证明其为等差数列

由上式变形得:
sn−1=sn−2sn22sn−1=sn(2sn−1)−2sn22sn−1=−sn2sn−1s_{n-1} = s_n - \dfrac{2 s_n^2}{2 s_n - 1} = \dfrac{s_n(2 s_n - 1) - 2 s_n^2}{2 s_n - 1} = \dfrac{-s_n}{2 s_n - 1}
两边取倒数,得:
1sn−1=2sn−1−sn=−2+1sn\dfrac{1}{s_{n-1}} = \dfrac{2 s_n - 1}{-s_n} = -2 + \dfrac{1}{s_n}
即:
1sn−1sn−1=2(n⩾2)\dfrac{1}{s_n} - \dfrac{1}{s_{n-1}} = 2 \quad (n \geqslant 2)
又当 n=1n = 1 时,s1=a1=1s_1 = a_1 = 1,则 1s1=1\dfrac{1}{s_1} = 1。
因此,{1sn}\left\{\dfrac{1}{s_n}\right\} 是以 11 为首项、22 为公差的等差数列。

3. 求数列 $\{\dfrac{1}{s_n}\}$ 的通项公式与前 $n$ 项和 $P_n$

由等差数列通项公式,得:
1sn=1+(n−1)×2=2n−1\dfrac{1}{s_n} = 1 + (n - 1) \times 2 = 2n - 1
故数列 {1sn}\left\{\dfrac{1}{s_n}\right\} 的前 nn 项和 PnP_n 为:
Pn=n(1+(2n−1))2=n2P_n = \dfrac{n\left(1 + (2n - 1)\right)}{2} = n^2

答案

{1sn}\{\dfrac{1}{s_n}\} 是以 11 为首项、22 为公差的等差数列,前 nn 项和 Pn=n2P_n = n^2。

(2)

1. 复用第(1)问结论将 $b_n$ 拆分为两部分

由(1)知 1sn=2n−1\dfrac{1}{s_n} = 2n - 1,故 sn=12n−1s_n = \dfrac{1}{2n - 1}。
代入 bnb_n 的表达式,得:
bn=12n−12n+1+(2n−1)2n=1(2n−1)(2n+1)+(2n−1)2nb_n = \dfrac{\frac{1}{2n - 1}}{2n + 1} + (2n - 1) 2^n = \dfrac{1}{(2n - 1)(2n + 1)} + (2n - 1) 2^n
设 cn=1(2n−1)(2n+1)c_n = \dfrac{1}{(2n - 1)(2n + 1)},dn=(2n−1)2nd_n = (2n - 1) 2^n,则 bn=cn+dnb_n = c_n + d_n。
数列 {bn}\{b_n\} 的前 nn 项和 Tn=Cn+DnT_n = C_n + D_n,其中 Cn=∑k=1nckC_n = \sum_{k=1}^n c_k,Dn=∑k=1ndkD_n = \sum_{k=1}^n d_k。

2. 利用裂项相消法求 $c_n$ 的前 $n$ 项和 $C_n$

将 cnc_n 裂项变形为:
cn=12(12n−1−12n+1)c_n = \dfrac{1}{2} \left( \dfrac{1}{2n - 1} - \dfrac{1}{2n + 1} \right)
则 cnc_n 的前 nn 项和 CnC_n 为:
Cn=12[(1−13)+(13−15)+⋯+(12n−1−12n+1)]=12(1−12n+1)=n2n+1C_n = \dfrac{1}{2} \left[ \left(1 - \dfrac{1}{3}\right) + \left(\dfrac{1}{3} - \dfrac{1}{5}\right) + \dots + \left(\dfrac{1}{2n - 1} - \dfrac{1}{2n + 1}\right) \right] = \dfrac{1}{2} \left( 1 - \dfrac{1}{2n + 1} \right) = \dfrac{n}{2n + 1}

3. 利用错位相减法求 $d_n$ 的前 $n$ 项和 $D_n$

记 Dn=1⋅21+3⋅22+5⋅23+⋯+(2n−1)2nD_n = 1 \cdot 2^1 + 3 \cdot 2^2 + 5 \cdot 2^3 + \dots + (2n - 1) 2^n ①
两边同乘以 22,得:
2Dn=1⋅22+3⋅23+⋯+(2n−3)2n+(2n−1)2n+12 D_n = 1 \cdot 2^2 + 3 \cdot 2^3 + \dots + (2n - 3) 2^n + (2n - 1) 2^{n+1} ②
①式减去②式,得:
−Dn=21+2⋅22+2⋅23+⋯+2⋅2n−(2n−1)2n+1-D_n = 2^1 + 2 \cdot 2^2 + 2 \cdot 2^3 + \dots + 2 \cdot 2^n - (2n - 1) 2^{n+1}
−Dn=2+2(22+23+⋯+2n)−(2n−1)2n+1-D_n = 2 + 2 \left( 2^2 + 2^3 + \dots + 2^n \right) - (2n - 1) 2^{n+1}
−Dn=2+2⋅4(2n−1−1)2−1−(2n−1)2n+1=2+2n+2−8−(2n−1)2n+1-D_n = 2 + 2 \cdot \dfrac{4(2^{n-1} - 1)}{2 - 1} - (2n - 1) 2^{n+1} = 2 + 2^{n+2} - 8 - (2n - 1) 2^{n+1}
−Dn=−6+(3−2n)2n+1-D_n = -6 + (3 - 2n) 2^{n+1}
解得:
Dn=(2n−3)2n+1+6D_n = (2n - 3) 2^{n+1} + 6

4. 合并求得数列 $\{b_n\}$ 的前 $n$ 项和 $T_n$

综上所述,数列 {bn}\{b_n\} 的前 nn 项和为:
Tn=Cn+Dn=n2n+1+(2n−3)2n+1+6T_n = C_n + D_n = \dfrac{n}{2n + 1} + (2n - 3) 2^{n+1} + 6

答案

Tn=n2n+1+(2n−3)2n+1+6T_n = \dfrac{n}{2n + 1} + (2n - 3) 2^{n+1} + 6

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