文档内容
微专题 22 数列中的最值、范围问题
高考定位 近几年高考试题中,与数列有关的最值范围问题既有解答题,也有选
择、填空题,难度中档或偏上.
【真题体验】
1.(2024·上海卷)等比数列{a }的首项 a >0,公比 q>1,记 I ={x-y|x,y∈[a ,
n 1 n 1
a ]∪[a ,a ]},若对任意正整数n,I 是闭区间,则q的取值范围是________.
2 n n+1 n
2.(2021·浙江卷)已知数列{a }的前n项和为S ,a =-,且4S =3S -9(n∈N*).
n n 1 n+1 n
(1)求数列{a }的通项公式;
n
(2)设数列{b }满足3b +(n-4)a =0(n∈N*),记{b }的前n项和为T .若T ≤λb 对
n n n n n n n
任意n∈N*恒成立,求实数λ的取值范围.
【热点突破】
热点一 求数列和式的最值、范围
求数列和式最值、范围的基本方法
(1)利用不等式组(n≥2)确定和式的最大值;
利用不等式组(n≥2)确定和式的最小值.
(2)利用和式的单调性.
(3)把数列的和式看作函数求其最值、值域.
例 1 设数列{a }的前 n 项积为 T ,满足 T T +2T =2T (n∈N*,n≥2),且
n n n n-1 n n-1
a ≠0,a =.
n 1
(1)求数列{a }的通项公式a ;
n n
(2)若数列{b }满足b =a +,求数列{b }的前n项和S 的最值.
n n n n n
训练1 (2024·成都诊断)已知数列{a }是首项等于的等比数列,公比q∈N*,S 是
n n它的前n项和,满足S =5S .
4 2
(1)求数列{a }的通项公式;
n
(2)设b =log a (a>0且a≠1),求数列{b }的前n项和T 的最值.
n a n n n
例2 已知数列{a }是递增的等比数列.设其公比为q,前n项和为S ,且满足a +
n n 1
a =34,8是a 与a 的等比中项.
5 2 4
(1)求数列{a }的通项公式;
n
(2)若b =n·a ,T 是{b }的前n项和,求使T -n·2n+1>-100成立的最大正整数n
n n n n n
的值.
训练2 (2024·南昌调研)已知数列{a }和{b }满足a +b =2n+1,且{b }满足b=
n n n n n
b ·b ,a =1,a =-1.
n n+2 2 3
(1)求数列{a }、{b }的通项公式;
n n
(2)设数列{a }的前n项和为S ,求当S +2n+1≥50时,正整数n的最小值.
n n n
热点三 求数列不等式中参数的取值范围
此类问题以数列为载体,一般涉及数列的求和,考查不等式的恒成立问题,可转
化为函数的最值问题.
例3 (2024·福州质检)已知数列{a }的前 n项和为 S ,a =1,a =S +2n+1,
n n 1 n+1 n
n∈N*.
(1)求证:数列是等差数列;
(2)设b =,{b }的前n项和为T .
n n n
①求T ;
n
②若对任意的正整数n,不等式5-T <λ·2n恒成立,求实数λ的取值范围.
n
训练3 已知数列{a }中,a =1+(a≠0).
n n
(1)若a=-7,求数列{a }中的最大项和最小项的值;
n
(2)若对任意的n∈N*,都有a ≤a 成立,求a的取值范围.
n 6
【精准强化练】
一、单选题1.已知数列{a }是等比数列,若 a ·a >1,01,n的最大值为( )
n
A.10 B.11
C.20 D.21
2.(2024·合肥调研)已知数列{a }满足a =1,na =(n+1)a +1,令b =,若对
n 1 n+1 n n
于任意n∈N*,不等式b <4-2t恒成立,则实数t的取值范围为( )
n+1
A. B.(-∞,-1]
C.(-∞,0] D.(-∞,1]
3.若数列{a }的前n项积b =1-n,则a 的最大值与最小值之和为( )
n n n
A.- B.
C.2 D.
4.已知等差数列{a },其前n项和为S ,S 有最小值.若<-1,则使S <0成立的n
n n n n
的最大值为( )
A.17 B.16
C.15 D.14
5.(2024·武汉调研)已知S 是等比数列{a }的前n项和,S =7,S =63,若关于n
n n 3 6
的不等式S -ta +33≥0对任意的n∈N*恒成立,则实数t的最大值为( )
2n n
A.12 B.16
C.24 D.36
6.在数列{a }中,a =1,a -a =n,则的最小值是( )
n 1 n n-1
A. B.
C.1 D.
7.(2024·郑州调研)如果数列{a }对任意的n∈N*均有a +a >2a 恒成立,那么
n n+2 n n+1
称数列{a }为“M-数列”,下列数列是“M-数列”的是( )
n
A.a =2n-1 B.a =-3n
n n
C.a =n×2n D.a =n2×
n n
二、多选题
8. 已知等差数列{a }的前n项和为S ,公差d≠0.若S ≤S ,则下列结论正确的
n n n 6是( )
A.a <0 B.d<0
1
C.a =0 D.S ≤0
6 13
9.(2024·济南调研)已知各项都是正数的数列{a }的前n项和为S ,且S =+,则
n n n
下列结论正确的是( )
A.当m>n(m,n∈N*)时,a >a
m n
B.S +S <2S
n n+2 n+1
C.数列{S}是等差数列
D.S -≥ln n
n
三、填空题
10.等差数列{a }的前n项和为S ,且a -a =8,a +a =26,若存在正整数m,
n n 4 2 3 5
使得对一切n∈N,n≥1,≤m都成立,则m的最小值是________.
11.(2024·南京调研)已知等差数列{a }满足a =-1,a +a =-12,则数列{a }
n 3 4 12 n
的通项公式a =________;若数列的前n项和为S ,则使S >的最大正整数n为
n n n
________.
12.若x=1是函数f(x)=a x4-a x3-a x+1的极值点,数列{a }满足a =1,a
n+1 n n+2 n 1 2
=3,设b =log a ,记[x]表示不超过x的最大整数.设S =,若不等式S ≥t,
n 3 n+1 n n
对∀n∈N*恒成立,则实数t的最大值为________.
四、解答题
13.已知等差数列{a }与正项等比数列{b }满足a =b =2,b =a =a +a .
n n 1 1 3 7 2 4
(1)求数列{a }和{b }的通项公式;
n n
(2)记数列{a }的前20项的和为S ,数列{b }的前n项和为T ,求满足T ≥S 的
n 20 n n n 20
n的最小值.
14.(2024·宁波调研)已知数列{a }满足:a =a +,且a =-.设{a }的前n项和为
n n+1 n 1 n
T ,b =3n·a .
n n n
(1)证明:{b }是等差数列;
n
(2)求T ;
n
(3)若不等式T +≤ta 对n∈N*恒成立,求实数t的取值范围.
n n【解析版】
1.(2024·上海卷)等比数列{a }的首项 a >0,公比 q>1,记 I ={x-y|x,y∈[a ,
n 1 n 1
a ]∪[a ,a ]},若对任意正整数n,I 是闭区间,则q的取值范围是________.
2 n n+1 n
答案 [2,+∞)
解析 显然等比数列{a }递增,不妨设x≥y,
n
若x,y∈[a ,a ],则x-y∈[0,a -a ],
1 2 2 1
若x,y∈[a ,a ],则x-y∈[0,a -a ],
n n+1 n+1 n
若x∈[a ,a ],y∈[a ,a ],
n n+1 1 2
则x-y∈[a -a ,a -a ],
n 2 n+1 1
∵对任意正整数n,I 都是闭区间,
n
∴a -a ≤a -a ,如图,
n 2 n+1 n
又a >0,∴qn-2qn-1+q≥0,
1
即qn-2(q-2)+1≥0,对任意正整数n,上式都成立,则必有q≥2.
2.(2021·浙江卷)已知数列{a }的前n项和为S ,a =-,且4S =3S -9(n∈N*).
n n 1 n+1 n
(1)求数列{a }的通项公式;
n
(2)设数列{b }满足3b +(n-4)a =0(n∈N*),记{b }的前n项和为T .若T ≤λb 对
n n n n n n n
任意n∈N*恒成立,求实数λ的取值范围.解 (1)因为4S =3S -9,
n+1 n
所以当n≥2时,4S =3S -9,
n n-1
两式相减可得4a =3a ,即=.
n+1 n
当n=1时,4S =4=--9,
2
解得a =-,所以=.
2
所以数列{a }是首项为-,
n
公比为的等比数列,
所以a =-×=-.
n
(2)因为3b +(n-4)a =0,
n n
所以b =(n-4)·.
n
所以T =-3×-2×-1×+0×+…+(n-4)·,①
n
所以T =-3×-2×-1×+0×+…+(n-5)·+(n-4)·,②
n
①-②得T =-3×+++…+-(n-4)·
n
=-+-(n-4)·
=-n·,
所以T =-4n·.
n
因为T ≤λb 对任意n∈N*恒成立,
n n
所以-4n·≤λ(n-4)·恒成立,所以(λ+3)n-4λ≥0.
记f(n)=(λ+3)n-4λ(n∈N*),
所以解得-3≤λ≤1.
所以λ的取值范围是[-3,1].
【热点突破】
热点一 求数列和式的最值、范围
求数列和式最值、范围的基本方法
(1)利用不等式组(n≥2)确定和式的最大值;
利用不等式组(n≥2)确定和式的最小值.
(2)利用和式的单调性.
(3)把数列的和式看作函数求其最值、值域.
例 1 设数列{a }的前 n 项积为 T ,满足 T T +2T =2T (n∈N*,n≥2),且
n n n n-1 n n-1
a ≠0,a =.
n 1
(1)求数列{a }的通项公式a ;
n n
(2)若数列{b }满足b =a +,求数列{b }的前n项和S 的最值.
n n n n n
解 (1)由T T +2T =2T ,
n n-1 n n-1
得-=.
又==,所以=+(n-1)=,所以T =,
n
所以a ==(n≥2),
n因为n=1,a =符合上式,所以a =.
1 n
(2)由(1)知,a =,
n
所以b =a +=+=-+2.
n n
所以S =b +b +…+b =++…+
n 1 2 n
=-+2n,
显然S =-+2n在n∈N*上单调递增,
n
所以当n=1时,S 的最小值是,无最大值.
n
易错提醒 利用数列和式的单调性求其最值.要首先判断其单调性,且注意数列
中的n≥1且n∈N.
训练1 (2024·成都诊断)已知数列{a }是首项等于的等比数列,公比q∈N*,S 是
n n
它的前n项和,满足S =5S .
4 2
(1)求数列{a }的通项公式;
n
(2)设b =log a (a>0且a≠1),求数列{b }的前n项和T 的最值.
n a n n n
解 (1)公比q∈N*,∵S =5S ,q≠1,
4 2
∴=,解得q=2.
∴a =×2n-1=2n-5.
n
(2)b =log a =(n-5)log 2,
n a n a
∴数列{b }的前n项和T =log 2
n n a
=log 2,
a
当a>1时,(T ) =T =T =-10log 2,无最大值;
n min 4 5 a当0-100成立的最大正整数n
n n n n n
的值.
解 (1)因为8是a 与a 的等比中项,
2 4
所以a a =82=64,
2 4
则由题意得即
解得或
因为数列{a }是递增的等比数列 ,
n
所以即a =2,q=2,
1
所以a =a qn-1=2×2n-1=2n.
n 1
(2)由(1)得b =n·a =n×2n,
n n
则T =b +b +b +…+b =1×21+2×22+3×23+…+n×2n,①
n 1 2 3 n
2T =1×22+2×23+3×24+…+n×2n+1,②
n由①-②得-T =21+22+23+…+2n-n×2n+1,
n
即T =n×2n+1-=(n-1)2n+1+2,
n
所以T -n·2n+1=(n-1)2n+1+2-n·2n+1=2-2n+1.
n
由T -n·2n+1>-100,
n
得2-2n+1>-100,
即2n<51,由于25=32<51,26=64>51,
所以n≤5,即使T -n·2n+1>-100成立的最大正整数n的值为5.
n
易错提醒 解答本题要首先正确求出T ,在求n的最值时要结合T -n·2n+1的单
n n
调性,同时注意n∈N*求解.
训练2 (2024·南昌调研)已知数列{a }和{b }满足a +b =2n+1,且{b }满足b=
n n n n n
b ·b ,a =1,a =-1.
n n+2 2 3
(1)求数列{a }、{b }的通项公式;
n n
(2)设数列{a }的前n项和为S ,求当S +2n+1≥50时,正整数n的最小值.
n n n
解 (1)∵b=b ·b ,
n n+2
∴数列{b }为等比数列.
n
∵a =1,a +b =5,∴b =4.
2 2 2 2
∵a =-1,a +b =7,∴b =8,
3 3 3 3
∴等比数列{b }的公比q==2,
n
∴b =b qn-2=4×2n-2=2n,
n 2
∴a =2n+1-b =2n+1-2n.
n n(2)由(1)知a =2n+1-2n,
n
所以S =-=n(n+2)-2n+1+2,
n
∴S +2n+1≥50可化为n2+2n-48≥0,
n
∵n∈N*,解得n≥6,
∴正整数n的最小值为6.
热点三 求数列不等式中参数的取值范围
此类问题以数列为载体,一般涉及数列的求和,考查不等式的恒成立问题,可转
化为函数的最值问题.
例3 (2024·福州质检)已知数列{a }的前 n项和为 S ,a =1,a =S +2n+1,
n n 1 n+1 n
n∈N*.
(1)求证:数列是等差数列;
(2)设b =,{b }的前n项和为T .
n n n
①求T ;
n
②若对任意的正整数n,不等式5-T <λ·2n恒成立,求实数λ的取值范围.
n
(1)证明 因为a =S +2n+1,
n+1 n
所以S -S =S +2n+1,
n+1 n n
所以S =2S +2n+1,所以=+1,
n+1 n
所以-=1,
所以是公差为1的等差数列.(2)解 ①因为==,
所以=+(n-1)×1=,
所以S =(2n-1)·2n-1,
n
∴b ==·,
n
∴T =×+×+×+…+×,
n
∴T =×+×+×+…+×,
n
两式相减得T =+++…+-×,
n
∴T =+-×,所以T =-×,
n n
∴T =5-(2n+5)×.
n
②∵5-T <λ·2n对任意的n∈N*恒成立,
n
∴(2n+5)·<λ·2n,
则λ>对任意的n∈N*恒成立,
令C =,
n
∴C -C =-==<0,
n+1 n
∴{C }为递减数列,则当n=1时,(C ) =,
n n max
∴λ>.
易错提醒 求数列不等式中参数的取值范围问题要看清楚是恒成立,还是有解问
题,若f(n)≥M恒成立,则f(n) ≥M;若f(n)≥M有解,则f(n) ≥M.
min max
训练3 已知数列{a }中,a =1+(a≠0).
n n
(1)若a=-7,求数列{a }中的最大项和最小项的值;
n(2)若对任意的n∈N*,都有a ≤a 成立,求a的取值范围.
n 6
解 (1)∵a =1+,
n
又a=-7,∴a =1+.
n
结合函数f(x)=1+的单调性,
可知1>a >a >a >a ,a >a >a >…>a >1.
1 2 3 4 5 6 7 n
∴数列{a }中的最大项为a =2,最小项为a =0.
n 5 4
(2)a =1+=1+,
n
已知对任意的n∈N*,都有a ≤a 成立,
n 6
结合函数f(x)=1+的单调性,
可知5<<6,即-101,01,n的最大值为( )
n
A.10 B.11
C.20 D.21
答案 C
解析 数列{a }是等比数列,a ·a >1,01,
9 12
T =a ·a …a ·a ·a =a<1,
21 1 2 19 20 21所以使T >1的n的最大值为20.
n
2.(2024·合肥调研)已知数列{a }满足a =1,na =(n+1)a +1,令b =,若对
n 1 n+1 n n
于任意n∈N*,不等式b <4-2t恒成立,则实数t的取值范围为( )
n+1
A. B.(-∞,-1]
C.(-∞,0] D.(-∞,1]
答案 D
解析 ∵na =(n+1)a +1,
n+1 n
则=+=+-
∴b -b =-,
n+1 n
又∵b =(b -b )+(b -b )+…+(b -b )+b
n+1 n+1 n n n-1 2 1 1
∴b =++…++1=2-<2,
n+1
由题意可得2≤4-2t,则2t≤2,∴t≤1.
3.若数列{a }的前n项积b =1-n,则a 的最大值与最小值之和为( )
n n n
A.- B.
C.2 D.
答案 C
解析 ∵数列{a }的前n项积b =1-n,
n n
当n=1时,a =;
1
当n≥2时,b =1-(n-1),
n-1
a ====1+,
n
当n=1时也适合上式,∴a =1+.
n当n≤4时,数列{a }单调递减,且a <1;
n n
当n≥5时,数列{a }单调递减,且a >1,
n n
故a 的最大值为a =3,最小值为a =-1,
n 5 4
∴a 的最大值与最小值之和为2,故选C.
n
4.已知等差数列{a },其前n项和为S ,S 有最小值.若<-1,则使S <0成立的n
n n n n
的最大值为( )
A.17 B.16
C.15 D.14
答案 C
解析 因为等差数列{a }的前 n项和 S 有最小值,所以 a <0,公差 d>0,所以
n n 1
a >a .
9 8
因为<-1,所以a <0,a >0,且a +a >0,
8 9 9 8
所以S ==>0,
16
S ==15a <0,
15 8
所以当1≤n≤15时,S <0,
n
所以使S <0成立的n的最大值为15.
n
5.(2024·武汉调研)已知S 是等比数列{a }的前n项和,S =7,S =63,若关于n
n n 3 6
的不等式S -ta +33≥0对任意的n∈N*恒成立,则实数t的最大值为( )
2n n
A.12 B.16
C.24 D.36
答案 C
解析 设等比数列{a }的公比为q(q≠1),
n则S ==7,S ==63,
3 6
解得q=2,a =1,
1
∴a =2n-1,S =22n-1,
n 2n
∴关于n的不等式S -ta +33≥0,
2n n
即22n-t×2n-1+32≥0,
即t≤2n+1+对任意的n∈N*恒成立.
法一 设f(n)=2n+1+,n∈N*,
则f(n+1)-f(n)=2n+2+-=2n+1-,
当n=2时,f(n+1)-f(n)=0,
当n=1时,f(n+1)-f(n)<0,
当n≥3时,f(n+1)-f(n)>0,
又f(2)=f(3)=24,
∴当n=2或n=3时,f(n) =24 ,
min
∴t≤24,t =24.
max
故选C.
法二 由2x+1+≥2=16,
当且仅当2x+1=,即x=时等号成立,
又n∈N*,∴当n=2或n=3时,2n+1+取得最小值24,
故t≤24,t =24.
max
6.在数列{a }中,a =1,a -a =n,则的最小值是( )
n 1 n n-1
A. B.
C.1 D.
答案 C
解析 当n≥ 2时,a =(a -a )+(a -a )+…+(a -a )+a =,
n n n-1 n-1 n-2 2 1 1
当n=1时,a =1满足上式,
1
则==.
因为n∈N*,n+1≥2,
所以(n+1)+≥3,则(n+1)+-1≥2,
故≥×2=1,当且仅当n=1时,等号成立.故选C.
7.(2024·郑州调研)如果数列{a }对任意的n∈N*均有a +a >2a 恒成立,那么
n n+2 n n+1
称数列{a }为“M-数列”,下列数列是“M-数列”的是( )
n
A.a =2n-1 B.a =-3n
n n
C.a =n×2n D.a =n2×
n n
答案 C
解析 若a =2n-1,则a +a -2a =2n+3+2n-1-2(2n+1)=0,
n n+2 n n+1
即a +a =2a ,不满足条件,不是“M-数列”;
n+2 n n+1
若a =-3n,则a +a -2a =-(3n+2+3n-2×3n+1)=-4×3n<0,
n n+2 n n+1
即a +a <2a ,不满足条件,不是“M-数列”;
n+2 n n+1若 a =n×2n,则 a +a -2a =(n+2)×2n+2+n×2n-2(n+1)×2n+1=(n+
n n+2 n n+1
4)×2n>0,
即a +a >2a ,满足条件,则是“M-数列”;
n+2 n n+1
若a =n2×,则a +a -2a =(n+2)2×+n2×-2(n+1)2×
n n+2 n n+1
=×
=×,
当n=1,2,3时,a +a <2a ,不满足条件,不是“M-数列”.故选C.
n+2 n n+1
二、多选题
8. 已知等差数列{a }的前n项和为S ,公差d≠0.若S ≤S ,则下列结论正确的
n n n 6
是( )
A.a <0 B.d<0
1
C.a =0 D.S ≤0
6 13
答案 BD
解析 因为S ≤S ,所以S ≤S 且S ≤S ,
n 6 5 6 7 6
即a =S -S ≥0,a =S -S ≤0,
6 6 5 7 7 6
因为d≠0,即a ,a 不同时为零 ,
6 7
所以d=a -a <0,故B正确;
7 6
因为a ≥0,即a +5d≥0,
6 1
所以a >0,故A错误;
1
S ==13a ≤0,故D正确;
13 7a 不一定为零,故C错误.
6
9.(2024·济南调研)已知各项都是正数的数列{a }的前n项和为S ,且S =+,则
n n n
下列结论正确的是( )
A.当m>n(m,n∈N*)时,a >a
m n
B.S +S <2S
n n+2 n+1
C.数列{S}是等差数列
D.S -≥ln n
n
答案 BCD
解析 对于A,由题意可知a =+,得a=1,所以a =1,
1 1
由a +a =+,得a+2a -1=0,
1 2 2
所以a =-1的最大正整数n为
n n n
________.
答案 2-n 5
解析 设等差数列的公差为d,由已知可得
解得
故数列{a }的通项公式为a =2-n.
n n
由S =a ++…+,
n 1
有=++…+.
两式相减得
=a ++…+-
1=1--
=1--=.
所以S =,由S =>,得00),
n n
因为a =b =2,b =a =a +a ,
1 1 3 7 2 4
所以2q2=2+6d=2+d+2+3d,
解得d=1,q=2,
所以数列{a }的通项公式为a =n+1,数列{b }的通项公式为b =2n.
n n n n
(2)由(1)得S ==230,
20
T ==2n+1-2,
n
所以T ≥S ,即为2n+1-2≥230,
n 20
即为2n≥116.
因为y=2x单调递增,26=64<116<128=27,
所以满足2n≥116的正整数n的最小值为7.
14.(2024·宁波调研)已知数列{a }满足:a =a +,且a =-.设{a }的前n项和为
n n+1 n 1 n
T ,b =3n·a .
n n n
(1)证明:{b }是等差数列;
n
(2)求T ;
n(3)若不等式T +≤ta 对n∈N*恒成立,求实数t的取值范围.
n n
(1)证明 因为b =3n·a ,
n n
所以b =3n+1·a ,
n+1 n+1
b -b =3n+1·a -3n·a
n+1 n n+1 n
=3n+1-3n·a =1,
n
且b =-2,所以b 是以-2为首项,且公差为1的等差数列,即b =n-3.
1 n n
(2)解 由(1)知,b =n-3,
n
所以a ==·(n-3).
n
则T =(-2)·+(-1)·+0·+…+(n-4)·+(n-3)·,于是T =(-2)·+(-1)·+0·+…+(n-
n n
4)·+(n-3)·,
两式相减得T =-++++…+-(n-3)·
n
=-+-(n-3)·=--·,
因此T =--·.
n
(3)解 由T +≤ta ,
n n
得-·≤t(n-3)·,
依题意,t(n-3)≥对n∈N*恒成立,
当1≤n<3时,t≤=--×,
--×≥-,则t≤-;当n=3时,不等式恒成立;
当n>3时,t≥=--×,--×<-,
则t≥-,于是-≤t≤-,
综上,实数t的取值范围是.