第八章 數列與級數
8-1 等差數列與等差級數
數列與級數
1.數列
(1)一串數字依序列出,稱為「數列」,如a 、1 a 、2 a 、…、3 a 、…,其中n a 稱為數列 n 第n項或一般項,一般以{ }a 表示一數列。 n
(2)數列的項數有限時,稱為「有限數列」;項數無限時,稱為「無窮數列」。
2.級數
將一數列之各項用加號連結起來,稱為「級數」,如a1 a2a3an1an。 設Sn a1a2a3an1an,S 即為數列前n n項之和,記為
1 n
n k
k
S a
。又Sn1a1a2a3an1。 故SnSn1an,n2。即 1 1
1 2
n n n
a S
a S S n
, 。
★ 一般項求數列 ★
一數列{ }a ,一般項為n an n3n, 求a1a4 a9。
1 1 3 4 a
4 4 12 2 12 14 a
9 9 27 3 27 30 a
1 4 9 4 14 30 48 a a a
一數列{ }a ,一般項為k ak k25, 求a2 。 a4
2 4 5 1
a
4 16 5 11 a
2 4 1 11 10 a a
★★ 級數和求數列 ★★
一數列{ }a 之前n n 項和為Sn n2 ,求下列1 各值:(1)a1a2 a20 (2)a (3)n a 。30
(1)a1a2 a20 S20 400 1 401 (2)a1S1 2
當n2
2 2
1 1 ( 1) 1
n n n
a S S n n n2 1 (n22n 1 1)
2n1
∴ 2, 1
2 1, 2
n
a n
n n
(3)a30 60 1 59
一數列{ }a 之前n n 項和為Sn 2n25n , 5 求(1)a1a2 a15 (2)a 。 10
(1)a1a2 a15 S15 2 225 75 5
450 70 380
(2)a10 S10 S9
(200 50 5) (162 45 5) 155 122 33
等差數列與等差級數
1.一數列a 、1 a 、2 a 、…、3 an1、a ,若n a2 a1 a3a2 anan1 d, 即數列前後兩項之差相等,我們稱此數列為「等差數列」,d稱為「公差」, 此時Sn a1 a2 a3 an稱為「等差級數」。
2.等差數列公式
(1)一等差數列之首項為a ,公差為1 d,則an a1 (n 1)d。 一等差數列之第k項為ak,公差為d,則an ak (n k d) 。
(2) 1
1
n n k
a a a a
d n n k
。
(3)a、b、c三數成等差數列,則等差中項
2 ba c 。
★★ 等差中間項 ★★
在 與 39 之間插入 5 個數,使 7 個數成等3 差數列,求插入的第4 數。
1 3
a ,a7 39 39 ( 3) 42
7 1 6 7
d
插入第4 項a5 a1 (5 1) d 3 4 7 25
在9 與 27 之間插入 11 個數,使成等差數列,
求插入的第6 數。
1 9
a ,a13 27 27 9 18 3 13 1 12 2
d
插入第6 數a7 a1 (7 1) d 9 6 3 18
2
★★ 等差數列 ★★
一等差數列第5 項為 75,第 10 項為 35,
則此等差數列第幾項開始出現負數?
10 5 35 75 40 10 5 5 5 8
a a
d
10 ( 10) ( 8) 0 an a n 35 8 n80 0 8n 115
115 3 8 148 n
∴ 第15 項開始出現負數
一等差數列第3 項為137,公差為3,
則此等差數列第幾項開始出現正數?
3 ( 3)
an a n d 137 (n 3) 3
137 3n 9
3n 146
3n146 146 2
3 483 n
∴ 第49 項開始出現正數
★★★ 等差數列應用 ★★
a、b、c三數成等差數列,且a b c , 若三數之和為15,三數之平方和為 203,
求公差及此三數。
設三數為x d 、x、x d
∴ x d x x d 15 x5
2 2 2
(5d) 5 (5 d) 203
2d275 203 d2 64 d 8
∵ a b c d 8
∴ 三數為13,5,3
五個數成等差數列,且五數之和為35,
最大數與最小數之差為32,求此五數。
35 7 5
設五數為7 2d 、7 d 、7、7 d 、 7 2d
∴ (7 2 ) (7 2 ) 32 d d 4d 32 d 8
∴ 五數為9、 、7、15、23 1
等差級數公式
1. 等差級數前n項和 ( 1 ) [2 1 ( 1) ]
2 2
n n
a a n a n d n
S
。
2. n項等差級數(n為奇數),其中間項為a ,則k Sn akn。
★★ 等差級數 ★★
大於100 且小於 400 之間的整數中,為 4 的 倍數的所有數之和為何?
1 104
a ,an 396 396 104 ( n 1) 4 296 4n n 74
(104 396) 74
18500
S 2
求200 到 500 之間,所有被 6 除之餘 1 的數 之總和。
1 205
a ,an 499 499 205 ( n 1) 6 294 6 n6 n50
(205 499) 50
17600
S 2
★★ 等差級數 ★★
一 等 差 數 列 共 有 20 項 , 若a20 91, 且
20 1060
S ,求此數列之公差。
1 20
20
( ) 20 2 a a
S
( 1 91) 20
1060 2
a
1 91 106
a a1 15 91 15 76
20 1 19 4
d
一等差數列之首項為50,前 50 項之和為 2400,求此數列之公差。
1 50
50
( ) 50 2 a a
S
( 50 50) 50
2400 2
a
4800 ( 50 a50) 50 50 a50 96
a50 146 146 50 196
50 1 49 4
d
重點三
★★ 等差中項求級數和 ★★
一等差級數共有 71 項,已知此數列的第 35 項為27 且公差為 3,求此等差級數之和。
71 1 36 2
中項a36a35 3 30
∴ S7130 71 2130
一等差級數共有101 項,已知此數列的第 51 項為11 且公差為3,求此等差級數之和。
101 1 2 51
中項a51 11
∴ S101 11 101 1111
8-2 等比數列與等比級數
等比數列與等比級數
1.一數列a 、1 a 、2 a 、…、3 an1、a ,若n 2 3
1 2 1
n n
a a
a r
a a a ,即數列後項與前項之比值 相等,我們稱此數列為「等比數列」,此比值r 稱為「公比」。
2.等比數列公式
(1)一等比數列之首項為a1,公比為r,則an a r1 n1。 一等比數列之第k項為ak,公比為r,則an a rk n k 。 (2)
1 n n
r a a
,n2。
(3)a、b、c三數成等比數列,則等比中項b ac(其中 ac 稱為a和c的幾何平均數)。
★ 等比數列 ★★
一等比數列首項為324,第6 項為 3 4,
求公比及a 。 10
6 1
6 1
a a r 4 5 ( 324) 3 r
5 1 r 243
1
r 3
4 10 6
10 6
4 1 4
3 3 243
a a r
一等比數列第4 項為 12,第 7 項為 96,
求公比及a 。 10
7 4
7 4
a a r 96 12 r 3
r3 8 r 2
10 7
10 7
a a r 96 8 768
★★ 等比數列 ★ 一等比數列a101000,公比為
5
, 1
25
8
n
a ,求n 。
10 10
n
an a r
8 1 10
25 1000 5
n
10
5
1 1
5 5
n
n10 5 n15
一等比數列首項為5,公比為 2,an 1280, 求n。
1 1
n
an a r 1280 5 2 n1
256 2 n1
n 1 8
n9
★★ 等比中間項 ★★
在112 與 7 之間插入 3 個等比中間項a、b 、 c ,且三數均為正數,求abc之值。
1 112
a ,a5 7 7 112 r 4 4 1
r 16 1 r 2
∴ a b c 56 28 14 42
在 與 160 之間插入 4 個數,使此數列成等5 比數列,求此數列的第4 項a4。
1 5
a ,a6 160
160 5 r5 r5 32 r 2
∴ a4 5 ( 2)3 40
★★★ 等比數列應用 ★★★
設四正數a 、b 、 c 、 d 成等比數列,
若a b14,c d 504,公比為r , 求a 之值。 r
設四正數為a、ar、ar 、2 ar 3 14
a b a ar (1a r) 14 (1)
2 3 504
c d ar ar
ar2(1 r) 504 (2) (1)
(2) r2 36 r 6代入(1)
a2
∴ a r 2 6 8
設四數a 、b 、 c 、 d 成等比數列,
若a c85,b d 340,求公比。
設四數為a、ar、ar 、2 ar3
2 85
a c a ar
a(1r2) 85 ………(1)
3 340
b d ar ar
ar(1r2) 340 ………(2) (2)
(1) (1 22) 340 (1 ) 85 ar r
a r
r 4
等比級數公式
一等比級數之首項為a ,公比為1 r ,則前n項和 1( 1) 1(1 ) ( 1) (1 )
n n
n
a r a r
S r r
。
★★ 等比級數 ★★
一等比級數之首項為48,第 6 項為 2
, 3
求此級數前10 項之和。
6 1
6 1
a a r 3 5
2 48 r
1 5 32 r
1 r 2
10
10
48 1 1 2 1 1
2 S
48 1023 31024 2
1023
32
求等比級數162 54 18 至前7 項之和。
公比 54 1 162 3
7
7
162 1 1 3 1 1
3 S
162 2186
22187 3
2186
9
★★ 等比級數 ★★
一等比級數之公比為 ,前 5 項之和為 3 3
122,求第7 項。
5 1
5
(1 ( 3) ) 122 1 ( 3) 3 S a
1 (244) 122
4 3
a 1 2
a 3
7 1 6
7 1
2 ( 3) 486 a a r 3
一等比級數之首項為5,公比為 3,
和為1820,求此級數之項數。
5 (3 1) 3 1 1820
n
Sn
5 (3 n 1) 3640 3n 1 728
3n 729 n6
重點二
無窮等比級數之和
1.一等比級數S a1 a r a r1 1 2 a r1 n,項數無限多時,我們稱為「無窮等比級數」,
其和S,記為S。 2. lim 1(1 )
(1 )
n
n
a r
S r
:
(1)當 r 1,無窮等比級數之和S 不存在,為「發散級數」。
(2)當 r 1,無窮等比級數之和 1 1 S a
r
,為「收斂級數」。
★ 無窮等比級數 ★
求 4 8 16
2 3 9 27之值。
1 2
a , 2
r 3
2 2
2 1 6 1 3 3
S
求cos120 cos 1202 cos 1203 之值。
1
cos120 1
a ,2 1
cos120
r 2
1 1
2 2 1
1 3 3
1 2 2
S
★ 無窮等比級數 ★
無窮等比級數k2k24k38k4 之和為 3
1,求k 之值。
a1 ,k r 2k 1 1 2 3 S k
k
3k 1 2k 1 k 5
無窮等比級數22r2r22rn 之和為5
6,求r 之值。
1 2
a , 2 6
1 5
S r
10 6 6r
2
r 3
★★★ 多組無窮等比級數 ★★★
求 1 1 1 1 1
1 2 4 8 16 32 之值。
1 1 1 1 1
1 8 64 2 16 128
1 1 1
4 32 256
1 1
1 2 4
1 1 1
1 1 1
8 8 8
8 4 2 10 7 7 7 7
求 1 1 1 1 1 1
1 2 5 4 25 8 125 之值。
1 1 1 1 1 1
1 2 4 8 5 25 125
1 1
1 5 1 5
1 3 4 1 1
1 2 5 2 5
2 1 8 3 11 3 4 12 12
重點三
★★★ 無窮等比級數應用 ★★★
一皮球從90 公尺的高空掉下,碰到地面反彈 回到60 公尺的高度後,再度往下掉,反彈回 到40 公尺的高度,再往下掉。如此反覆直到 皮球停止,請問此皮球共移動多少公尺?
90 60 60 40 40
(90 60 40 ) (60 40 )
90 60
2 2
1 1
3 3
90 60
270 180 450 1 1
3 3
有一個三角形 其周長為 60 公分,面積為1 40 平方公分,取 之三邊中點,形成第二個1 三角形 ,再取2 之三邊中點,形成第三個2 三角形 。一直重複此步驟,求所有三角形3 之周長總和及面積總和。
周長總和60 30 15
60 60 1 1 120 1 2 2
公分
面積總和 10
40 10
4
40 40 160
1 3 3
1 4 4
平方公分
Σ之運算
1.Σ之性質 (1) 1 2
1 n
k n
k
a a a a
。 (2)1 1 1
( )
n n n
k k k k
k k k
a b a b
。(3)
1 n
k
c n c
。 (4)1 1
n n
k k
k k
c a c a
。2.整式運算 (1)
1
( 1)
1 2 2
n
k
k n n n
。 (2) 2 2 2 21
( 1)(2 1) 1 2
6
n
k
n n n
k n
。(3) 3 3 3 3 2
1
( 1)
1 2 [ ]
2
n
k
k n n n
。3.分式之運算
1 1 1
1 1 1 1 1 1 1
( ) ( )
( )
n n n
k k k c k c k k c c k k k c
,(c Z )。4.根式之運算
1 1 1
1 1 1
( ) ( )
n n n
k k k
k c k k c k
c c
k c k
,(c Z )。重點四
★ Σ運算性質 ★ 試求下列各值:
(1)
5
1
2 2
i
i (2) 99
1
1 k
k
(3)
12 5
3
n
。
(1) 5 2
1
( 2) 3 6 11 18 27 65
i
i
(2) 99
1
( 1)k
k
( 1 1) ( 1 1) ( 1 1) ( 1)
1 (3) 12
5
3 3 3 3 3 3 3 3 24
n
試求下列各值:
(1)
7
3
3 15
k
k (2)
15
1
6
k
k (3)
100
11
5
k
。
(1) 7
3
(15 3 )
k
k
6 3 0 ( 3) ( 6) 0 (2) 15
1
| 6 |
k
k
5 4 3 2 1 0 1 2 9 60
(3)100
11
5
k
90 5 450 ★★ Σ運算性質 ★★
19 4
1
k
ak , 19 9
1
k
bk ,a20 10,b20 6, 求 20 (2 3 4)
1
k
k
k b
a 。
20 19
20
1 1
4 10 14
k k
k k
a a a
20 19
20
1 1
9 6 15
k k
k k
b b b
20
1
(2 k 3 k 4)
k
a b
20 201 1
2 k 3 k 4 20
k k
a b
28 45 80 63
10 7
2
k
ak , 11 20
1
k
bk ,a1 3,b1115, 求 10 (5 3 2)
1
k
k
k b
a 。
10 10
1
1 2
3 7 10
k k
k k
a a a
10 11
11
1 1
20 15 5
k k
k k
b b b
10
1
(5 k 3 k 2)
k
a b
10 10
1 1
5 k 3 k 20
k k
a b
50 15 20 45 ★★★ Σ(多組無窮等比級數) ★★
求
1
1 1
4 3 ) 2 (
k k
k k
之值。
原式
1 1
1 1
( 2) 3
4 4
k k
k k
k k
1 2 4 9 27 81
4 16 64 4 16 64
1 9
4 4
2 1 3
1 4 4
1 9
6 55
6
求
1 8
4 2
k k
k k
之值。
原式
1 1
2 4
8 8
k k
k k
k k
1 1
1 1
4 2
k k
k k
1 1
4 2
1 1
1 1
4 2
1 1 4 2 3 1 4 2
1 2
3 1 3
★★★ Σ(分式之運算) ★★★
求
1 22 1
k k k之值。
1 1
1 1 1 1
( 2) 2 2
k k k k k k
1 1
2 1 3
1 1
2 4
1
3 1
5 1
4 1
6
1 1
2 1 2
3
4
已知 5 6
) 1 ( 2
x x x
f ,求
21 1
) (
n
n
f 之值。
1 1 1
( ) ( 2)( 3) 2 3 f x x x x x
21
1
1 1 1 1 1 1
( ) 3 4 4 5 23 24
n
f n
1 1 7 3 24 24
★★★ Σ(根式之運算) ★★★
已知 f x x x
2 ) 1
( ,
求 f(1) f(3) f(5) f(47)之值。
( ) 1 2
f x 2 x x (1) (3) (47) f f f
1[( 3
2 1) ( 5 3) ( 49 47
1
)] (7 1) 3
2
求
80
4 1
1
n n n 之值。
原式 80
4
( 1 )
n
n n
( 5 4) ( 6 5) ( 81 80) 81 4 9 2 7
循環小數化成分數
13 .
0 0.13131313 0.13 0.0013 0.000013
13 13 13 100 10000 1000000
99 13 100 10099 13
100 1 1
100 13
。
0.123 0.12 0.003 0.0003 0.00003
12 3 3 3 100 1000 10000 100000
3 3
12 1000 12 1000 12 3
1 9
100 1 100 100 900
10 10
108 3 111 37 900 900 300
。
從上面兩個例子,我們知道循環小數可利用無窮等比級數來化成分數,但是一般在處 理循環小數化成分數的題目時,多是使用速解法來求解。
重點五
這是一個無窮等比級數,
首項 100
13 ,公比 100
1 。
括弧內為無窮等比級數,
首項 1000
3 ,公比 10
1 。
解題方法:在循環小數中,小數點後的數字可分成兩類,有循環的,如c 、d 、 e ;及沒有 循環的,如a 、b 。
0. a b c d e 可化為
99900 99900
ab abcde
沒有循環的 全部
0 0 9 9 9 (倒回去寫,置於分母)
: 13
0.1399
:x0.13……
100x13.13……
99x13, 13 x99
: 123 12 111 37 0.123
900 900 300
:x0.123,100x12.3……
1000x123.3……
900x111, 111 37 900 300 x
★ 循環小數化分數 ★
將0.345化成分數。
345 3 342 19 0.345
990 990 55
將0.7382化成分數。
7382 73 7309 0.7382
9900 9900
★ 循環小數化分數 ★
將5.385化成分數。
385 3 5.385 5
990
382 191
5 5
990 495
將1.45化成分數。
45 5 1.45 1 1
99 11
( D ) 1. 若
n
i i
n a
S
1
,已知Sn n2 3n,則a20 (A)23 (B)46 (C)64 (D)42。
( A ) 2. 一等差數列前三項之和為 30,且前三項平方和為 308,則其公差d (A) 2 (B) (C) 43 (D) 5 。
( C ) 3. 若
10
1
52
i ai ,
10
1
2 374
i ai ,則
10 1
)2
1 (
i ai (A)373 (B)271 (C)280 (D)2601。
( C ) 4. 無窮級數
1
1
5 3 2
k k
k k
之和為 (A) 6 13 (B)
6 19 (C)
6
31 (D) 6 33。
( B ) 5. 無窮等比級數 81 16 27
8 9 4 3
1 2 之和為 (A)
3 2 (B)
5 3 (C)
5 1 (D)
3 1。
( B ) 6. 一個等差級數前十項之和為 10,而第 10 項為 5,則公差是 (A)1 (B) 9 8 (C)
8 9
(D) 8
。 9
( C ) 7. 設100與 100 之間插入 50 個數,使成一等差數列,則此數列之和為 (A)1000 (B)2000 (C)0 (D)100。
( A ) 8. 求無窮級數 256
1 128
1 64
1 32
1 16
1 8 1 4 1 2
1 1 (A)
7 2 (B)
7 4 (C)
7 6
(D)7 8。
( C ) 9. 有一等比數列第 4 項為 2,第 7 項為 4
1,則第 10 項為 (A) 8 1 (B)
16 1 (C)
32 1
(D)64 1 。
( A )10. 級數(12 22)(32 42)(52 62)(492 502)之和為 (A)1275 (B)2499 (C)2401 (D)1325。
( A )11. 設一等差數列之第 5 項為 19,第 9 項為 35,則前 10 項之和為 (A)210 (B)310 (C)410 (D)510。
( A )12.
2 1
2
8 3 4
n n
n n
(A) 5
19 (B) 5 12 (C)
7 8 (D)
8 1。
( D )13. 設{ }a 為一等差數列,且n an 2n5,則前10 項之和為 (A)30 (B)30 (C)60 (D)60。
( D )14. 設
2 3 ) 1
( 2
x x x
f ,則 f(1) f(2) f(50)之值為何? (A) 50 49 (B)
156 49
(C)50 24 (D)
52 25。
( B )15. 將0.451化成最簡分數 b
a,則b a (A)90 (B)181 (C)543 (D)539。
( A )16. 1
( ) 1
f x x x
,則 25
1
( )
x
f x
之值為 (A)5 (B)6 (C) 24 (D)1 24。 ( C )17. 等差級數前n項和Sn ,前5 3n項和S3n 36,則前4n項和S 之值為何? 4n (A)54(B)58 (C)62 (D)64。
( B )18. 11
1 k 5
k
a
, 91 k 6
k
b
,a11 ,2 b10 ,則3 101
(2 k k)
k
a b
之值為何? (A)16 (B)15 (C)20 (D)23。( A )19. 四正數a、b、c、d成等比數列,其中a b 6,c d 24,則公比r 為何? (A)2 (B) 2 (C)4 (D) 4 。
( D )20. 一等差級數共 93 項,已知第 48 項為 34,且公差為 4,求此等差級數之和為 (A)2794 (B)2800 (C)2786 (D)2790。
( D ) 1. 設a 、1 a 、2 a 、…、3 a 是一n n項等差數列,若第9 項a9 58且第15 項a15 100, 則674 是這個等差數列的第幾項? (A)94 (B)95 (C)96 (D)97。
【97 年統測 B】
( C ) 2. 試求無窮級數
0 3
5 2
n n
n
? (A) 3
2 (B)8 (C) 2
21 (D) 。 【97 年統測 B】
( A ) 3. 若無窮等比級數
3 8 2
4
2 2 3 4
x x x
x ,則x? (A)
7 2 (B)
2 1 (C)
3 1
(D)5
3。 【98 年統測 B】
( D ) 4. 若數列a 、1 a 、2 a 、…、3 a 的第n n項
3
an 2n,則a1a2 a3 a20之值為何?
(A)106 (B) 3
320 (C) 3
520 (D)140。 【98 年統測 B】
( A ) 5. 設p、 為二相異正整數,且q a 為一等差數列的第n n項。若ap ,q aq ,則p
q
ap ? (A)0 (B) p (C) q (D)pq。 【98 年統測 C】
( D ) 6. 求
30
1
) 2 3 (
k
k ? (A)1320 (B)1325 (C)1330 (D)1335。 【99 年統測 B】
( D ) 7. 求無窮等比級數
3 3 3
1 3
3 1 1 3
1 …? (A)
4
3 (B) 3
3 (C) 12
3 5
(D) 2
3。 【99 年統測 B】
( A ) 8. 無窮級數 2 3 4 5 3
1 2
1 3
1 2
1 3
1 1 2 2 1 3
1 2
1
k
k ? (A)
24 41 (B)
24 59
(C)2 5 (D)
2
7。 【99 年統測 C】
( D ) 9. 設一等差數列為 5、12、19、…,則第 101 項為何? (A)695 (B)698 (C)700
(D)705。 【100 年統測 B】
( D ) 10. 設某人跑 10 公里路程,第一公里以 5 分鐘完成,第二公里以 5 分 15 秒完成,第 三公里以5 分 30 秒完成,依此類推,即全程的每一公里以此等差數列的時間完成,
則總共需花多少時間? (A)58 分 45 秒 (B)59 分 15 秒 (C)60 分 45 秒 (D)61 分
15 秒。 【100 年統測 B】
( C ) 11. 若無窮等比級數(0.4) (0.4) 2(0.4)3 (0.4)n 的和為a,無窮等比級數
2 3
(0.2) (0.2) (0.2) (0.2)n的和為b,則a
b ? (A)4
3 (B)2 (C)8 3
(D)4。 【100 年統測 C】
( B ) 12. 若兩數列 2,2a,18 及a4,2,a7都是等比數列,則下列何者正確?
(A) 6 a 4 (B) 4 a 2 (C)2 a 4 (D)4 a 6。 【101 年統測 C】
( B ) 13. 設一等比級數的第三項為 4,公比為 1
,前3 n項和為6560
243 ,則n之值為何?
(A)7 (B)8 (C)9 (D)10。 【103 年統測 C】
( A ) 14. 設a、b、c三個數均為正實數,且已知a c 36,若a、b、12 三數成等差數列,
且2、b、c三數成等比數列,則下列敘述何者有誤? (A)b c 32 (B)a b 12 (C)b2 2c (D)2b a 12。 【103 年統測 C】
( D )15. 已知四個正數a、b、c、d為一等比數列,若a b 20,a b c d 65,則a? (A)5 (B)6 (C)7 (D)8。 【104 統測】
( C )16. 設 a 、 b 、 c 、 d 、 e 、 f 六數成等比數列,且已知ace168,bd f 84, 則d 之值為何? (A)6 (B)9 (C)16 (D)32。 【105 統測】
( A ) 17. 設a、b、c三數成等比數列,且滿足a b c 9及a2b2 c2 189,則等比中項 b? (A) 6 (B) 2 (C) 1
2 (D) 6。 【106 統測】
( D ) 18. 10
1
(2n 3 2)
n
n