浙江 2012 · 数学 q07

题解图(原卷截图 · 含答案与官方解析)

浙江 2012 · 数学 q07 原卷截图(含答案)

文字转写(题面 + 答案)

题面

  1. 设 SnS_{n} 是公差为 dd (d≠0d \neq 0)的无穷等差数列 {an}\{a_{n}\} 的前 nn 项和,则下列命题错误的是
    A. 若 d<0d < 0,则数列 {Sn}\{S_{n}\} 有最大项
    B. 若数列 {Sn}\{S_{n}\} 有最大项,则 d<0d < 0
    C. 若数列 {Sn}\{S_{n}\} 是递增数列,则对任意 n∈N∗n \in N^{*},均有 Sn>0S_{n} > 0
    D. 若对任意 n∈N∗n \in N^{*},均有 Sn>0S_{n} > 0,则数列 {Sn}\{S_{n}\} 是递增数列

答案

C

本题的知识树

5 概念 · 2 公式 · 1 题型 · 1 套路 · 1 易错点 · 最深 3 层。长链是构建期派生的,源文件里只有最小一步。

攻略(零基础 → 会做)

递增管的是差,恒正管的是位置——C 差的正是那条缝 · 最终答案:C

冷启动:四条命题只用到三件事

题面给的是一个公差 d≠0d\neq 0 的无穷等差数列 {an}\{a_n\} 与它的前 nn 项和 SnS_n,问四条命题里哪一条错。四条里出现的只有三件事:

前提 PP结论 QQ
Ad<0d<0{Sn}\{S_n\} 有最大项
B{Sn}\{S_n\} 有最大项d<0d<0
C{Sn}\{S_n\} 是递增数列对任意 nn,Sn>0S_n>0
D对任意 nn,Sn>0S_n>0{Sn}\{S_n\} 是递增数列

A 与 B 是一对互逆命题,C 与 D 也是一对。 所以真正要判的只有两件事:「d<0d<0」与「有最大项」是不是互相等价,「递增」与「恒正」是不是互相等价。前一对是等价的(A、B 都真),后一对只有一个方向成立——这就是全题的落点。

两个基本式子把三件事全部翻译成 a1a_1 与 dd 的话:

Sn=na1+n(n−1)2d=n(a1+n−12d),Sn+1−Sn=an+1=a1+nd.S_n=na_1+\frac{n(n-1)}{2}d=n\left(a_1+\frac{n-1}{2}d\right), \qquad S_{n+1}-S_n=a_{n+1}=a_1+nd .

答案是 C:{Sn}\{S_n\} 递增只管住相邻两项的差,管不住 S1S_1 落在横轴上头还是下头。

四格教学图。左上「\{S_n\} 有没有最大项,只看 d 的正负」:两条前 n 项和折线,n 从 1 到 8。绿线 a_1=3、d=-1,先升后降,第 3 项处一个空心圆标「有最大项」;红线 a_1=-1、d=2,从 -1 一路上扬到 48,标「一路上扬,没有最大项」。右上「只画 d>0:绿块真包在蓝块里,所以 D 真、C 假」:(a_1,d) 半平面上,蓝斜线 a_1=-d 右侧的浅蓝楔形是「递增:a_1>-d」,绿竖线 a_1=0 右侧的深绿矩形是「S_n 恒正:a_1>0」,深绿块真包含在浅蓝块里;两者之间的夹缝里标着一个红点 (-1,2)。左下文字栏「三件事都化成 (a_1,d) 的不等式」:有最大项 \Leftrightarrow d<0;递增 \Leftrightarrow d>0 且 a_1>-d(因为 S_{n+1}-S_n=a_{n+1}=a_1+nd);S_n>0 恒成立 \Leftrightarrow d>0 且 a_1>0(因为 S_n=n(a_1+\frac{n-1}{2}d));后两条满足 \{a_1>0\}\subsetneq\{a_1>-d\}。右下文字栏「四条逐个搜反例」:A、B、D 都搜不出反例,C 搜出反例 a_1=-1、d=2,即 a_n=2n-3,S_n 依次为 -1,0,3,8,15,24,一路递增可 S_1 就是负的;反例都挤在 -d<a_1\leqslant 0 这条缝里。结论:错的是 C。

解法一:把 SnS_{n} 看成 nn 的二次函数——开口方向定「有没有最大项」

怎么想到的。 把 SnS_n 按 nn 的幂整理:

Sn=d2n2+(a1−d2)n.S_n=\frac{d}{2}n^{2}+\left(a_1-\frac{d}{2}\right)n .

d≠0d\neq 0 保证它真是二次的——题面那句「d≠0d\neq 0」正是为此而设。二次函数的形状只由二次项系数 d2\frac{d}{2} 的符号决定,于是 dd 的正负一下子成了主角。

A 真。 d<0d<0 时开口向下,n→+∞n\to+\infty 时 Sn→−∞S_n\to-\infty。于是「Sn⩾S1S_n\geqslant S_1」的正整数 nn 只有有限多个,在这有限多个里挑最大的一项,它就压过了所有其余的项——最大项一定存在。

B 真。 看它的逆否:「若 d⩾0d\geqslant 0,则 {Sn}\{S_n\} 没有最大项」。题面已排除 d=0d=0,故 d>0d>0,开口向上,Sn→+∞S_n\to+\infty;任取一项,后面总有比它更大的,最大项不存在。逆否成立,B 成立。

C 假。 开口向上只说明「图象最终往上走」,可整条图象可以整体往下挪——挪到前几项落在横轴下面,照样不影响它一路递增。取 a1=−1a_1=-1、d=2d=2:

an=2n−3,Sn=n2−2n,S1=−1, S2=0, S3=3, S4=8,…a_n=2n-3,\qquad S_n=n^{2}-2n,\qquad S_1=-1,\ S_2=0,\ S_3=3,\ S_4=8,\dots

Sn+1−Sn=2n−1>0S_{n+1}-S_n=2n-1>0(n⩾1n\geqslant 1),确实一路递增;可 S1=−1<0S_1=-1<0,结论「对任意 nn 均有 Sn>0S_n>0」当场破产。前提真、结论假,C 是错的那一条。

D 真。 若对一切 nn 都有 Sn>0S_n>0:先看 dd,若 d<0d<0 则 Sn→−∞S_n\to-\infty,迟早为负,矛盾,故 d>0d>0;再看 n=1n=1,S1=a1>0S_1=a_1>0。于是 Sn+1−Sn=a1+nd>a1>0S_{n+1}-S_n=a_1+nd>a_1>0,{Sn}\{S_n\} 递增。

选 C。

解法二:只看相邻差 Sn+1−Sn=an+1S_{n+1}-S_{n}=a_{n+1}——增减跟二次函数没关系

怎么想到的。 「递增」是一句只关于相邻两项的话,用不着把 SnS_n 的整个表达式请出来。等差数列的通项 an=a1+(n−1)da_n=a_1+(n-1)d 给出

Sn+1−Sn=an+1=a1+nd(n⩾1),S_{n+1}-S_n=a_{n+1}=a_1+nd\qquad(n\geqslant 1),

于是**「{Sn}\{S_n\} 递增」就等价于「a1+nd>0a_1+nd>0 对一切 n⩾1n\geqslant 1 成立」**。

把这个条件解干净。 左边是关于 nn 的一次式:

  • d<0d<0 时它随 nn 递减且 →−∞\to-\infty,不可能对一切 nn 为正;
  • d>0d>0 时它随 nn 递增,最小的一个在 n=1n=1 处,即 a1+da_1+d。
 {Sn} 递增  ⟺  d>0 且 a1>−d \boxed{\ \{S_n\}\ \text{递增}\iff d>0\ \text{且}\ a_1>-d\ }

C 假。 上面这个条件里,a1a_1 只需大于 −d-d,而 d>0d>0 使 −d<0-d<0——a1a_1 完全可以是负数。取 d=2d=2、a1=−1a_1=-1:−1>−2-1>-2 成立,故 {Sn}\{S_n\} 递增;而 S1=a1=−1<0S_1=a_1=-1<0。前提真、结论假,C 被推翻。

D 真。 设对一切 nn 都有 Sn>0S_n>0。取 n=1n=1 得 a1=S1>0a_1=S_1>0。再定 dd 的符号:由 Sn=n(a1+n−12d)S_n=n\left(a_1+\frac{n-1}{2}d\right),若 d<0d<0 则括号里 →−∞\to-\infty,SnS_n 迟早为负,与恒正矛盾,故 d>0d>0。此时 a1>0>−da_1>0>-d,正好落在上面那个方框里,{Sn}\{S_n\} 递增。

A、B 也能用差判完。 an+1=a1+nda_{n+1}=a_1+nd 是严格单调的一次式:

  • d<0d<0:an+1a_{n+1} 严格递减,从某项起恒负。于是 SnS_n 先不减、后严格减,转折处那一项就是最大项,A 真。
  • d>0d>0:an+1→+∞a_{n+1}\to+\infty,从某项起恒正,SnS_n 此后严格递增且 →+∞\to+\infty,没有最大项。这正是 B 的逆否(d≠0d\neq 0 已排除 d=0d=0),B 真。

这条路的好处:判增减全程只用「差的符号」,SnS_n 本身只在定 dd 的正负时以因式形 n(a1+n−12d)n\left(a_1+\frac{n-1}{2}d\right) 出场一次,始终不必把它展开成二次式,也就不必操心对称轴落在哪两个整数之间。

解法三:把两个条件都画到 (a1,d)(a_{1},d) 平面上——C 与 D 只差一条缝

怎么想到的。 C 与 D 是一对互逆命题,比的是两个条件谁包含谁。只要把两个条件都解成对 (a1,d)(a_1,d) 的不等式,包含关系就是两块区域的大小关系,一眼可判,而且能看清反例藏在哪儿。

第一块:递增。 Sn+1−Sn=an+1=a1+ndS_{n+1}-S_n=a_{n+1}=a_1+nd。要它对一切 n⩾1n\geqslant 1 为正:d<0d<0 时 →−∞\to-\infty 不行;d>0d>0 时最小值在 n=1n=1,得

{Sn} 递增  ⟺  d>0 且 a1>−d.\{S_n\}\ \text{递增}\iff d>0\ \text{且}\ a_1>-d .

第二块:恒正。 Sn=n(a1+n−12d)S_n=n\left(a_1+\frac{n-1}{2}d\right),而 n>0n>0,所以 Sn>0  ⟺  a1+n−12d>0S_n>0\iff a_1+\frac{n-1}{2}d>0。同样地,d<0d<0 时 →−∞\to-\infty 不行;d>0d>0 时最小值在 n=1n=1,得

对一切 n, Sn>0  ⟺  d>0 且 a1>0.\text{对一切}\ n,\ S_n>0\iff d>0\ \text{且}\ a_1>0 .

两块的关系。 两块都要求 d>0d>0,只在对 a1a_1 的要求上分手;而 d>0d>0 时 −d<0-d<0,所以

{a1>0} ⊊ {a1>−d}.\{a_1>0\}\ \subsetneq\ \{a_1>-d\} .

真包含——于是「恒正 ⇒\Rightarrow 递增」(D 真),反过来不行(C 假)。而且这张图还多告诉了一件事:C 的反例不是零散的,它们恰好铺满那条缝

−d<a1⩽0(d>0).-d<a_1\leqslant 0\qquad(d>0).

在缝里随手取一个 d=2d=2、a1=−1a_1=-1:an=2n−3a_n=2n-3,Sn=n2−2nS_n=n^{2}-2n 的前几项是 −1,0,3,8-1,0,3,8,Sn+1−Sn=2n−1>0S_{n+1}-S_n=2n-1>0 一路递增,而 S1=−1<0S_1=-1<0——前提真、结论假。取 d=1d=1、a1=0a_1=0 也行(Sn=n(n−1)2S_n=\frac{n(n-1)}{2},前几项 0,1,3,60,1,3,6 递增,而 S1=0S_1=0 不大于 00)。缝有多宽,取决于 dd:dd 越大,能反的 a1a_1 越多。

A、B 不进这张图。 它们只关心 dd 的符号,跟 a1a_1 无关:d<0d<0 时 Sn=d2n2+(a1−d2)n→−∞S_n=\frac{d}{2}n^{2}+\left(a_1-\frac{d}{2}\right)n\to-\infty,满足 Sn⩾S1S_n\geqslant S_1 的 nn 只有有限个,最大项必存在(A 真);d>0d>0 时 Sn→+∞S_n\to+\infty,没有最大项,而题面已排除 d=0d=0,故「有最大项 ⇒d<0\Rightarrow d<0」(B 真)。

三条提醒

  1. 递增管的是「差」,恒正管的是「位置」。 一个锁住 Sn+1−SnS_{n+1}-S_n 的符号,一个锁住 SnS_n 本身落在横轴哪一侧——把整条数列一起往下平移,前者纹丝不动、后者立刻垮掉。C 假就假在把这两件事当成了一回事。反过来(D)之所以对,是因为「恒正」顺带把 S1=a1>0S_1=a_1>0 也锁死了,比「递增」要的 a1>−da_1>-d 更严。
  2. 「d≠0d\neq 0」这个条件是给 B 准备的。 少了它,B 立刻变假:取 d=0d=0、a1=−1a_1=-1,则 Sn=−nS_n=-n,最大项是 S1=−1S_1=-1(确实存在),可 d=0d=0 并不小于 00。A、C、D 在 d=0d=0 时的真假都不变,唯独 B 需要这句话。题面里每一个看似多余的限制,都值得问一句「拿掉它,哪一条会塌」。
  3. 推翻一条蕴含命题,两头都要验。 反例必须前提真、结论假。本题若只顾着找「某个 Sn⩽0S_n\leqslant 0」的数列,很容易随手取 d=−1d=-1、a1=−1a_1=-1——结论确实假,可它根本不递增,前提就不成立,什么都推不翻。

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