教材 · 数学 Course 2 · 数列与微积分 · 数列

漸化式

漸化式と数列

12 数列 / 漸化式と数列
一句话结论

递推式求一般项,就是找一个替换,把它变成等差、等比或阶差数列。最核心的 an+1=pan+qa_{n+1}=pa_n+q:解特性方程 α=pα+q\alpha=p\alpha+q 找平衡点,偏差 an−αa_n-\alpha 每步乘 pp,是等比数列。其余类型(多出 nn 的式子、qnq^n、分式、含 SnS_n、相邻三项、联立)都靠减、除、取倒数、取对数归结到这几种。

概率题常问:棋子每次随机移动,第 nn 次后在某处的概率 pnp_n 是多少。直接数所有走法很难,但第 n+1n+1 次在哪里只取决于第 nn 次在哪里,写成式子就是 pn+1p_{n+1} 与 pnp_n 的关系。这种只给首项和「怎样算出下一项」的式子叫递推式(漸化式)。EJU 的数列大题几乎每年都要从递推式求一般项;本节的方法都只做一件事:把它变形成等差、等比、阶差这三种能直接写出一般项的样子。

为什么是这样

有了首项和递推式,就能依次算出 a2a_2、a3a_3……,数列被唯一确定,这叫数列的归纳定义(帰納的定義)。但题目要的是直接用 nn 表示的一般项,能直接写出的只有三种:每步加同一个数(等差),每步乘同一个数(等比),每步加的量随 nn 变化但已知(阶差,把各步的量累加起来)。

最常见的 an+1=pan+qa_{n+1}=pa_n+q 不属于这三种,但它有平衡点 α\alpha:若 α=pα+q\alpha=p\alpha+q,某一项等于 α\alpha 后数列就停住不动。两式相减得 an+1−α=p(an−α)a_{n+1}-\alpha=p(a_n-\alpha):偏差每步乘 pp,偏差数列是等比数列。图中 p=−12p=-\dfrac12,各项绕着平衡点来回摆,偏差每步减半并变号。求 α\alpha 的方程叫特性方程(特性方程式),只是草稿,答卷里可以不写。

更复杂的递推式是同一个思路:找一个替换(减去一个式子、两边同除以一个式子、取倒数、取对数),让新数列落进三种基本型。选哪种替换,看式子里「多出来的部分」长什么样。

例题中的概率 pₙ 绕着平衡点 1/3 来回摆动,偏差每一步乘 −1/2npₙ0½⅓平衡点 α = ⅓12345678偏差 −⅓偏差 +⅙−1/12粗竖线是偏差 pₙ − ⅓:每走一步长度减半、方向翻转,也就是乘以公比 −½。所以 {pₙ − ⅓} 是等比数列;pₙ 本身既不等差也不等比,但越来越靠近 ⅓。

定量表达

三种基本型:an+1=an+da_{n+1}=a_n+d 得 an=a1+(n−1)da_n=a_1+(n-1)d;an+1=rana_{n+1}=ra_n 得 an=a1rn−1a_n=a_1r^{n-1};an+1=an+f(n)a_{n+1}=a_n+f(n) 时 {f(n)}\{f(n)\} 是阶差数列,n≥2n\ge2 时 an=a1+∑k=1n−1f(k)a_n=a_1+\sum_{k=1}^{n-1}f(k)。阶差这条只对 n≥2n\ge2 成立(第 nn 项只累加了 n−1n-1 步),算完要代 n=1n=1 看是否等于 a1a_1,等于才能合写成一个式子。

an+1=pan+qa_{n+1}=pa_n+q(p≠1p\ne1):{an−α}\{a_n-\alpha\} 是首项 a1−αa_1-\alpha、公比 pp 的等比数列,于是得到下面的公式。算完别忘了把 α\alpha 加回去。

an+1=pan+q ⟹ an=(a1−α) p n−1+α,α=q1−pa_{n+1}=pa_n+q\ \Longrightarrow\ a_n=(a_1-\alpha)\,p^{\,n-1}+\alpha,\qquad \alpha=\dfrac{q}{1-p}
ana_n
数列的第 nn 项(一般项)
a1a_1
首项
pp
ana_n 的系数,也是偏差数列 {an−α}\{a_n-\alpha\} 的公比
qq
每步额外加上的常数
α\alpha
平衡点:特性方程 α=pα+q\alpha=p\alpha+q 的解
nn
项的编号,n=1,2,3,…n=1,2,3,\dots
适用条件
  • p≠1p\ne1。p=1p=1 时就是等差数列 an+1=an+qa_{n+1}=a_n+q,没有平衡点
  • qq 必须是常数。多出来的项含 nn(如 2n2n、3n3^n)时不能直接用,要先变形
  • 首项是 a1a_1 时指数是 n−1n-1;题目从 a0a_0 开始编号时,指数相应改成 nn
pa+qpa+q 型另有两种做法。一是用阶差:把 nn 换成 n+1n+1 再写一式,两式相减得 an+2−an+1=p(an+1−an)a_{n+2}-a_{n+1}=p(a_{n+1}-a_n),阶差数列是公比 pp 的等比数列,再用阶差公式。二是先算几项猜出一般项,再用下一节的数学归纳法证明,这种做法对任何递推式都适用。

怎么用

先看 ana_n 的系数和多出来的部分,按图里的表选替换,替换后多半落到 pa+qpa+q 型。最常考的两种:多出 nn 的一次式,如 an+1=3an+2na_{n+1}=3a_n+2n,设 bn=an+αn+βb_n=a_n+\alpha n+\beta,它的下一项是 an+1+α(n+1)+βa_{n+1}+\alpha(n+1)+\beta,比较系数得 α=1\alpha=1、β=12\beta=\dfrac12,{bn}\{b_n\} 公比为 33;多出 qn+1q^{n+1},两边除以 qn+1q^{n+1},bn=anqnb_n=\dfrac{a_n}{q^n} 就是 pa+qpa+q 型。给出 SnS_n 的关系式时,写出 n+1n+1 的式子相减,用 Sn+1−Sn=an+1S_{n+1}-S_n=a_{n+1} 消去 SS,首项另用 a1=S1a_1=S_1 求。

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