已知数列{an}\{a_{n}\}的前nn项和为SnS_{n},Sn=2an−3n(n∈N∗).(1)S_{n}=2a_{n}-3n(n∈N^{*}).(1)证明数列{an+3}\{a_{n}+3\}是等比数列,求出数列{an}\{a_{n}\}的通项公式; (2)设bn=n3anb_{n}= \dfrac {n}{3}a_{n},求数列{bn}\{b_{n}\}的前nn项和TnT_{n}; (3)数列{an}\{a_{n}\}中是否存在三项,它们可以构成等差数列?若存在,求出一组符合条件的项;若不存在,说明理由.

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完整解法

(1)

1. 由 $S_n$ 与 $a_n$ 的关系推导递推公式及首项

当 n=1n = 1 时,S1=a1=2a1−3⋅1S_1 = a_1 = 2a_1 - 3 \cdot 1,解得 a1=3a_1 = 3,所以 a1+3=6a_1 + 3 = 6.
当 n≥2n \ge 2 时,an=Sn−Sn−1=(2an−3n)−[2an−1−3(n−1)]a_n = S_n - S_{n-1} = (2a_n - 3n) - [2a_{n-1} - 3(n-1)].
整理得 an=2an−2an−1−3a_n = 2a_n - 2a_{n-1} - 3,即 an=2an−1+3a_n = 2a_{n-1} + 3.

2. 证明等比关系并求出 $a_n$ 的通项公式

在 an=2an−1+3a_n = 2a_{n-1} + 3 两边同时加上 33,得:
an+3=2an−1+6=2(an−1+3)a_n + 3 = 2a_{n-1} + 6 = 2(a_{n-1} + 3)
又因为 a1+3=6≠0a_1 + 3 = 6 \neq 0,
所以数列 {an+3}\{a_n + 3\} 是以 66 为首项,公比为 22 的等比数列。
因此 an+3=6⋅2n−1=3⋅2na_n + 3 = 6 \cdot 2^{n-1} = 3 \cdot 2^n,
解得 ana_n 的通项公式为 an=3⋅2n−3a_n = 3 \cdot 2^n - 3.

答案

{an+3}\{a_n+3\} 是以 66 为首项,22 为公比的等比数列;an=3⋅2n−3a_n = 3 \cdot 2^n - 3.

(2)

1. 表示 $b_n$ 并将其拆分为两部分

由 (1) 知 an=3⋅2n−3a_n = 3 \cdot 2^n - 3,代入 bn=n3anb_n = \dfrac{n}{3} a_n 得:
bn=n3(3⋅2n−3)=n⋅2n−nb_n = \dfrac{n}{3} (3 \cdot 2^n - 3) = n \cdot 2^n - n
设 An=∑k=1nk⋅2kA_n = \sum_{k=1}^n k \cdot 2^k,Bn=∑k=1nk=n(n+1)2B_n = \sum_{k=1}^n k = \dfrac{n(n+1)}{2},则 Tn=An−BnT_n = A_n - B_n.

2. 用错位相减法求 $A_n = \sum_{k=1}^n k \cdot 2^k$

An=1⋅21+2⋅22+3⋅23+⋯+n⋅2nA_n = 1 \cdot 2^1 + 2 \cdot 2^2 + 3 \cdot 2^3 + \dots + n \cdot 2^n
两边同乘以 22 得:
2An=1⋅22+2⋅23+⋯+(n−1)2n+n⋅2n+12A_n = 1 \cdot 2^2 + 2 \cdot 2^3 + \dots + (n-1) 2^n + n \cdot 2^{n+1}
两式相减得:
−An=21+22+23+⋯+2n−n⋅2n+1-A_n = 2^1 + 2^2 + 2^3 + \dots + 2^n - n \cdot 2^{n+1}
其中前 nn 项和为等比数列求和:
21+22+⋯+2n=2(2n−1)2−1=2n+1−22^1 + 2^2 + \dots + 2^n = \dfrac{2(2^n - 1)}{2 - 1} = 2^{n+1} - 2
代入得 −An=2n+1−2−n⋅2n+1=(1−n)2n+1−2-A_n = 2^{n+1} - 2 - n \cdot 2^{n+1} = (1 - n) 2^{n+1} - 2,
所以 An=(n−1)2n+1+2A_n = (n - 1) 2^{n+1} + 2.

3. 合成计算出 $T_n$

结合 Bn=n(n+1)2B_n = \dfrac{n(n+1)}{2},可得:
Tn=An−Bn=(n−1)2n+1+2−n(n+1)2T_n = A_n - B_n = (n - 1) 2^{n+1} + 2 - \dfrac{n(n+1)}{2}

答案

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

(3)

1. 假设存在三项成等差数列并列出方程

假设数列 {an}\{a_n\} 中存在三项 ap,aq,ara_p, a_q, a_r (p,q,r∈N∗p, q, r \in \mathbb{N}^*) 构成等差数列。
因为 an=3⋅2n−3a_n = 3 \cdot 2^n - 3 是单调递增数列,所以若三项构成等差数列,必有项数满足 p<q<rp < q < r,且:
ap+ar=2aqa_p + a_r = 2a_q
代入通项公式得:
3(2p−1)+3(2r−1)=2⋅3(2q−1)3(2^p - 1) + 3(2^r - 1) = 2 \cdot 3(2^q - 1)

2. 化简方程并进行奇偶性分析得出矛盾

两边同时除以 33 并整理:
2p+2r−2=2q+1−2  ⟹  2p+2r=2q+12^p + 2^r - 2 = 2^{q+1} - 2 \implies 2^p + 2^r = 2^{q+1}
两边同时除以 2p2^p,得:
1+2r−p=2q+1−p1 + 2^{r-p} = 2^{q+1-p}
因为 1≤p<q<r1 \le p < q < r,且 p,q,r∈N∗p, q, r \in \mathbb{N}^*,
所以 q+1−p≥2q + 1 - p \ge 2,则 2q+1−p2^{q+1-p} 为偶数;
且 r−p≥2r - p \ge 2,则 2r−p2^{r-p} 为偶数,故 1+2r−p1 + 2^{r-p} 为奇数。
等式左边为奇数,右边为偶数,奇数不可能等于偶数,产生矛盾!
因此,数列 {an}\{a_n\} 中不存在可以构成等差数列的三项。

答案

不存在。理由:若存在三项 ap,aq,ara_p, a_q, a_r (p<q<rp < q < r) 成等差数列,则 ap+ar=2aqa_p + a_r = 2a_q,代入通项可化简为 1+2r−p=2q+1−p1 + 2^{r-p} = 2^{q+1-p}。当 p<q<rp < q < r 时,等式左边为奇数,右边为偶数,矛盾,故不存在满足条件的项。

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