已知等差数列{an}\{a_{n}\}的首项a1=−2a_{1}=-2,等比数列{bn}\{b_{n}\}的公比为qq,且a2=b1a_{2}=b_{1},a3=b2+1a_{3}=b_{2}+1,a1b2+5b2=b3a_{1}b_{2}+5b_{2}=b_{3}. (1)求数列{an}\{a_{n}\}和{bn}\{b_{n}\}通项公式; (2)求数列{anbn}\{a_{n}b_{n}\}的前nn项的和SnS_{n}.

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完整解法

(1)

1. 设未知量并由已知条件求出公比 $q$

设等差数列 {an}\{a_n\} 的公差为 dd,则 an=−2+(n−1)da_n = -2 + (n-1)d.
因为 a1b2+5b2=b3a_1b_2 + 5b_2 = b_3,即 −2b2+5b2=b3-2b_2 + 5b_2 = b_3,变形得 3b2=b33b_2 = b_3.
又由于 b2≠0b_2 \neq 0,所以等比数列 {bn}\{b_n\} 的公比 q=b3b2=3q = \dfrac{b_3}{b_2} = 3.

2. 求解公差 $d$ 并写出 $a_n$ 和 $b_n$ 的通项公式

由 a2=b1a_2 = b_1,得 b1=−2+db_1 = -2+d.
又已知 a3=b2+1a_3 = b_2 + 1,且 b2=b1q=3(−2+d)b_2 = b_1 q = 3(-2+d),代入可得:
−2+2d=3(−2+d)+1-2+2d = 3(-2+d) + 1
解得 d=3d = 3.
因此,an=−2+3(n−1)=3n−5a_n = -2 + 3(n-1) = 3n - 5.
由 b1=−2+3=1b_1 = -2 + 3 = 1,q=3q = 3,得 bn=1⋅3n−1=3n−1b_n = 1 \cdot 3^{n-1} = 3^{n-1}.

答案

an=3n−5a_{n}=3n-5,bn=3n−1b_{n}=3^{n-1}

(2)

1. 写出 $S_n$ 的展开式及 $3S_n$ 的展开式

由 (1) 可知 anbn=(3n−5)⋅3n−1a_n b_n = (3n-5) \cdot 3^{n-1}.
设数列 {anbn}\{a_n b_n\} 的前 nn 项和为 SnS_n,则:
Sn=(−2)⋅1+1⋅31+4⋅32+⋯+(3n−5)⋅3n−1S_n = (-2) \cdot 1 + 1 \cdot 3^1 + 4 \cdot 3^2 + \dots + (3n-5) \cdot 3^{n-1}
等式两边同乘以公比 33 得:

3Sn=(−2)⋅31+1⋅32+⋯+(3n−8)⋅3n−1+(3n−5)⋅3n3S_n = (-2) \cdot 3^1 + 1 \cdot 3^2 + \dots + (3n-8) \cdot 3^{n-1} + (3n-5) \cdot 3^n

2. 两式相减并运用等比数列求和公式得出 $S_n$

两式错位相减得:
Sn−3Sn=−2+[3⋅31+3⋅32+⋯+3⋅3n−1]−(3n−5)⋅3nS_n - 3S_n = -2 + \left[ 3 \cdot 3^1 + 3 \cdot 3^2 + \dots + 3 \cdot 3^{n-1} \right] - (3n-5) \cdot 3^n
−2Sn=−2+3⋅3(3n−1−1)3−1−(3n−5)⋅3n-2S_n = -2 + 3 \cdot \frac{3(3^{n-1}-1)}{3-1} - (3n-5) \cdot 3^n
−2Sn=−2+9(3n−1−1)2−(3n−5)⋅3n-2S_n = -2 + \frac{9(3^{n-1}-1)}{2} - (3n-5) \cdot 3^n
两边同乘以 −1-1 并化简得:
2Sn=2−3n+1−92+(3n−5)⋅3n=(6n−13)⋅3n+1322S_n = 2 - \frac{3^{n+1}-9}{2} + (3n-5) \cdot 3^n = \frac{(6n-13) \cdot 3^n + 13}{2}
故 Sn=(6n−13)⋅3n+134S_n = \frac{(6n-13) \cdot 3^n + 13}{4}.

答案

Sn=(6n−13)⋅3n+134S_{n}=\dfrac{(6n-13) \cdot 3^{n} + 13}{4}

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