已知数列的前项和为,证明数列是等比数列,求出数列的通项公式; (2)设,求数列的前项和; (3)数列中是否存在三项,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 时,,解得 ,所以 .
当 时,.
整理得 ,即 .
2. 证明等比关系并求出 $a_n$ 的通项公式
在 两边同时加上 ,得:
又因为 ,
所以数列 是以 为首项,公比为 的等比数列。
因此 ,
解得 的通项公式为 .
答案
是以 为首项, 为公比的等比数列;.
(2)
1. 表示 $b_n$ 并将其拆分为两部分
由 (1) 知 ,代入 得:
设 ,,则 .
2. 用错位相减法求 $A_n = \sum_{k=1}^n k \cdot 2^k$
两边同乘以 得:
两式相减得:
其中前 项和为等比数列求和:
代入得 ,
所以 .
3. 合成计算出 $T_n$
结合 ,可得:
答案
(3)
1. 假设存在三项成等差数列并列出方程
假设数列 中存在三项 () 构成等差数列。
因为 是单调递增数列,所以若三项构成等差数列,必有项数满足 ,且:
代入通项公式得:
2. 化简方程并进行奇偶性分析得出矛盾
两边同时除以 并整理:
两边同时除以 ,得:
因为 ,且 ,
所以 ,则 为偶数;
且 ,则 为偶数,故 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 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 () 成等差数列,则 ,代入通项可化简为 。当 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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