每日一题[379]探索规律

数列$\{a_n\}$满足$a_{n+1}+(-1)^na_n=2n-1$,若$\{a_n\}$的前$30$项和$S_{30}=663$,则$a_1=$_____.


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正确答案是$100$.

 法一 在本题中,关键是表达出前$30$项的和,由条件比较容易求出两项两项的和,我们以此入手.

由题意知$$a_2-a_1=1,a_3+a_2=3,a_4-a_3=5,\cdots$$要求的是各项的和,而这三个式子适当相加相减便可以得到$$a_1+a_3=2,a_2+a_4=8,$$于是我们对一般项进行类似推理:

在题目的条件中依次令$n=2k-1,2k,2k+1,k\in\mathcal{N}^*$,得到$$\begin{split} a_{2k}-a_{2k-1}=4k-3,\\a_{2k+1}+a_{2k}=4k-1,\\a_{2k+2}-a_{2k+1}=4k+1.\end{split}$$将前两式相减得$$a_{2k+1}+a_{2k-1}=2,$$将后两式相加得$$a_{2k+2}+a_{2k}=8k,$$于是我们得到前$30$项中的奇数项的和为$$a_1+(a_3+a_5)+(a_7+a_9)+\cdots+(a_{27}+a_{29})=a_1+14.$$偶数项的和为$$\begin{split} &a_2+(a_4+a_6)+\cdots+(a_{28}+a_{30})\\=&(1+a_1)+8\times 2+8\times 4+\cdots+8\times 14\\=&1+a_1+16\times\dfrac {1+7}{2}\times 7\\=&449+a_1.\end{split}$$因此$$S_{30}=a_1+14+449+a_1=463+2a_1=663,$$解得$a_1=100$.

法二 这是一个递推数列,我们可以尝试计算一些项来发现规律.

根据题意$a_{n+1}=2n-1-(-1)^na_n$,即$$a_n=\begin{cases} 2n-3-a_{n-1},&2\nmid n,\\2n-3+a_{n-1},&2|n,\end{cases}(n\geqslant 2,n\in\mathcal{N}^*)$$设首项$a_1=a$,则

$a_2=1+a$,$a_3=3-a_2=2-a$,$a_4=5+a_3=7-a$,$a_5=7-a_4=a$,$a_6=9+a$,$a_7=2-a$,$a_8=15-a$,$a_9=a$,$\cdots$.

可以归纳出以下规律(以下所有$k\in\mathcal{N}^*$)$$a_{4k-3}=a,a_{4k-1}=2-a,$$于是前$30$项中所有奇数项的和为$$a_1+a_3+\cdots+a_{29}=a_1+7\times 2=a+14.$$接下来计算前$30$项中所有偶数项的和,从通项入手:$$\begin{split} a_{4k-2}&=2(4k-2)-3+a_{4k-3}=8k-7+a,\\a_{4k}&=2\cdot 4k-3+a_{4k-1}=8k-1-a,\end{split}$$于是$$a_{4k-2}+a_{4k}=16k-8=8(2k-1),$$从而有$$\begin{split} &a_2+a_4+a_6+\cdots+a_{30}\\=&8\times 1+8\times 3+\cdots+8\times 13+(64-7+a)\\=&449+a.\end{split}$$因此$$S_{30}=a+14+449+a=463+2a=663,$$解得$a=100$.

这是数列问题的常规处理思路,通过多写几项来发现规律,将某些项的通项公式写出之后,可以通过题目条件求出其他项的通项公式,最后求和.

 本题改编自2012年全国高考新课标卷理科第16题(填空压轴题),高考原题见每日一题[70]数列中的规律探索,那里也给出了本题的其它解题思路,看完不妨拿来试着解决本题.

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