冷启动:把两问的骨架看清楚
等差数列 {an},首项 a1=−1,公差 d>1,前 n 项和 Sn。
- (1) 若 S4−2a2a3+6=0,求 Sn;
- (2) 若对每个 n∈N∗,存在实数 cn,使 an+cn, an+1+4cn, an+2+15cn 成等比数列,求 d 的取值范围。
① 只有一个未知量。 等差数列由 a1 与 d 完全确定,而 a1=−1 已给定——整道题的唯一未知量是 d。所以每一步都该往「关于 d 的方程 / 不等式」上靠。
an=a1+(n−1)d=(n−1)d−1
② 第 (2) 问的量词结构:∀n ∃cn。 读法是逐个 n 各配一个 cn(下标 n 就是在说这件事),不是「找一个通用的 c」。所以做法固定为两层:
- 先固定 n,把「存在 cn」解掉,得到一个关于 d(与 n)的条件;
- 再让这个条件对所有 n 成立——对 n 取交集。
顺序反了就是另一道题。
③ 「成等比数列」怎么落地。 等比中项:
(an+1+4cn)2=(an+cn)(an+2+15cn)
并且三项都不能为零(等比数列不允许有零项)——G2=ab 只是必要条件,0=x⋅0 也满足它。这一条先记下,两条路各自的最后一步都要回头把它补上,而且它是承重的:不补,「存在 cn ⟺ 方程有实根」这个等价就只有一半。
第 (1) 问:把条件化成关于 d 的方程
① 把四个量都用 d 写出来。 a1=−1:
S4=4a1+24×3d=−4+6d,a2=−1+d,a3=−1+2d
② 代入条件。
(−4+6d)−2(−1+d)(−1+2d)+6=0
先展开括号:(−1+d)(−1+2d)=1−2d−d+2d2=2d2−3d+1,于是
−4+6d−2(2d2−3d+1)+6=−4+6d−4d2+6d−2+6=−4d2+12d=0
d2−3d=0 ⟹ d(d−3)=0 ⟹ d=0 或 d=3
③ 用 d>1 筛。 d=0 不合,故 d=3。
an=−1+3(n−1)=3n−4
Sn=2n(a1+an)=2n(−1+3n−4)=23n2−5n(n∈N∗)
(自查) S1=23−5=−1=a1 ✓;S2=212−10=1=a1+a2=−1+2 ✓。
第 (2) 问的公共第一步:把「成等比」化成关于 cn 的二次方程
这一步两条路都要走。记 u=an+1=nd−1,则
an=u−d,an+2=u+d
代进等比中项:
(u+4cn)2=(u−d+cn)(u+d+15cn)
左边 =u2+8ucn+16cn2;右边展开:
(u−d+cn)(u+d+15cn)=u2+16ucn+15cn2−d2−14dcn
两边相减:
cn2+(14d−8nd+8)cn+d2=0
(把 u=nd−1 代回:−8u+14d=14d−8nd+8。)
这是一个关于 cn 的一元二次方程,二次项系数是 1=0,常数项是 d2>0。 两条路都是在回答同一个问题:它什么时候有实数解?
解法一:判别式非负,再逐个 n 收紧
怎么想到的。 「存在实数 cn」= 这个一元二次方程有实根,而一元二次方程有实根的充要条件就是判别式非负。这是最直的一条路。
① 写判别式。
Δn=(14d−8nd+8)2−4d2 ≥ 0
② 用平方差分解,别去展开。 A2−B2=(A−B)(A+B),取 A=14d−8nd+8、B=2d:
(14d−8nd+8−2d)(14d−8nd+8+2d)≥0 ⟹ (12d−8nd+8)(16d−8nd+8)≥0
两个括号各提公因子:12d−8nd+8=−4[(2n−3)d−2],16d−8nd+8=−8[(n−2)d−1]。两个负号相乘为正,32>0 可约去:
[(n−2)d−1][(2n−3)d−2] ≥ 0对一切 n∈N∗ 成立
③ 逐个 n 看谁真的卡人。 这一步的要领是:小的 n 逐个试,大的 n 统一估。
- n=1:[(−1)d−1][(−1)d−2]=(d+1)(d+2)>0 ✓(d>1),不构成约束;
- n=2:第一个括号是 0⋅d−1=−1,于是不等式成 −(d−2)≥0,即
d≤2
- n≥3:d>1 时 (n−2)d−1>(n−2)−1=n−3≥0,且 (2n−3)d−2>(2n−3)−2=2n−5≥1>0,两个括号都是正的,乘积自然 ≥0 ✓,也不构成约束。
真正卡住答案的只有 n=2 这一个——它恰好让第一个括号退化成常数 −1。
④ 合起来。 与 d>1 取交:
1<d≤2
⑤ 补上承重的一步:Δn≥0 与「真配得出 cn」等价。
第 ① 步一上来就把「存在实数 cn」换成了 Δn≥0,可判别式只管方程有实根,等比数列还要求三项都不为零。这笔账不能只用「两根之积 =d2>0 故 cn=0」来还——cn=0 说的是 cn 自己不为零,三项照样可能有零项。
退化必然从中间项开始。 三项记作
T1=an+cn,T2=an+1+4cn,T3=an+2+15cn,T22=T1T3
只要 T1=0 或 T3=0,右边就是 0,于是 T2=0。所以任何退化都逼着中间项为零,也就是只有一个入口:
cn=−4an+1=−4v,v:=an+1=nd−1
这个值什么时候真是根? 用 v 重写系数:B=14d−8nd+8=14d−8v。把 cn=−4v 代进 cn2+Bcn+d2=0,乘 16:
v2−4v(14d−8v)+16d2=33v2−56dv+16d2=(3v−4d)(11v−4d)=0
⟺v=34d或v=114d
关键是:退化只吃掉两根中的一个。 d>0 时 34d=114d,而 v 由 n,d 唯一确定,所以两种退化不会同时出现。另一根由两根之积 =d2 给出,即 cn′=−v4d2,它与 −4v 相等要 v2=16d2 即 v=±4d——两种退化都不是,所以两根确实不同。逐项算出来:
| 退化条件 | 退化根 −4v 的三项 | 另一根 cn′ | 它的三项 | 公比 |
|---|
| v=34d | 0, 0, −38d | −3d | −38d, −332d, −3128d | 4 |
| v=114d | −118d, 0, 0 | −11d | −11128d, −11480d, −111800d | 415 |
d>1>0,两行的三项全都非零。于是 Δn≥0⇒ 至少一个根给出真正的等比三项;反过来「三项成等比」本来就要求那个方程有实根。两边合起来,① 用的等价才真的成立。
落到本题的区间。 v=34d 即 d=3n−43,1<d≤2 内只有 (n,d)=(2,23);v=114d 即 d=11n−411,只有 (n,d)=(1,711)。两处各换用另一根即可:前者 c2=−29 给出 −4,−16,−64(公比 4)✓,后者 c1=−7121 给出 −7128,−7480,−71800(公比 415)✓。
唯一没有「另一根」可换的情形是 Δn=0,而由第 ② 步的分解,Δn=0 就是 [(n−2)d−1][(2n−3)d−2]=0:(n−2)d=1 在 d>1 下要 n−2=d1∈(0,1),不是整数,无解;(2n−3)d=2 只给 n=2,d=2。那里的双根是 c2=−2B=−2,三项 −1,−5,−25、公比 5 ✓,本来就不在退化名单上。
解法二:分离成对勾函数,用它的值域卡住
怎么想到的。 判别式回答了「有没有根」,但它是一个记熟的结论。换个角度:把 cn 解出来看它能取到什么。
方程的常数项是 d2>0,所以 cn=0 不可能是根(代进去得 d2=0)。既然 cn=0,两边同除以 cn:
cn+cnd2=8nd−14d−8
左边是一个对勾函数——它能取到哪些值,基本不等式一句话就说完了。
① 对勾函数的值域。 记 t=cn,f(t)=t+td2(d>1>0):
- t>0:f(t)=t+td2≥2t⋅td2=2d,等号在 t=d 取到;
- t<0:令 t=−s(s>0),f(t)=−(s+sd2)≤−2d,等号在 t=−d 取到。
值域=(−∞,−2d]∪[2d,+∞)
中间的 (−2d,2d) 是取不到的——这正是「方程有没有解」的分水岭。
② 于是有解的条件是一个绝对值不等式。
存在 cn⟺8nd−14d−8∈值域⟺∣8nd−14d−8∣≥2d
两边同除以 2:∣4nd−7d−4∣≥d。
③ 拆成两支。 绝对值不等式 ∣X∣≥d 就是 X≥d 或 X≤−d:
4nd−7d−4≥d或4nd−7d−4≤−d
⟺(n−2)d≥1或(2n−3)d≤2
(第一支:4nd−8d≥4⇒(n−2)d≥1;第二支:4nd−6d≤4⇒(2n−3)d≤2。)
「两支至少成立一支」——这就是每个 n 要满足的条件。
④ 逐个 n 判。
| n | 第一支 (n−2)d≥1 | 第二支 (2n−3)d≤2 | 结论 |
|---|
| 1 | −d≥1 ✗ | −d≤2 ✓ | 恒成立 |
| 2 | 0≥1 ✗ | d≤2 | 只能靠第二支 ⇒ d≤2 |
| ≥3 | (n−2)d≥n−2≥1 ✓ | — | 恒成立 |
(n≥3 那行用了 d>1。)
⑤ 收口。 与 d>1 取交:
1<d≤2

⑥ 补上承重的一步:三项非零。
第 ② 步那个 "⟺" 只把「成等比」换成了「右端落在值域里」,也就是方程有解。可等比数列还要求三项都不为零。注意 cn=0 只是除法合法的凭据(第 ② 步开头用过一次),它推不出三项非零——这一步得单独走。
对勾函数自带「另一个原像」。 f(t)=t+td2 满足
f(td2)=td2+t=f(t)
所以右端每取到一个不在边界 ±2d 上的值,都恰有两个原像 t0 与 t0d2(落在边界上时两者重合于 t=±d)。这正是「两根之积 =d2」在函数视角下的样子——手里总有两个候选的 cn。
退化只有一个入口:中间项。 记 T1=an+cn、T2=an+1+4cn、T3=an+2+15cn,它们满足 T22=T1T3。只要 T1 或 T3 为零,右边为零就迫使 T2=0。所以坏的候选只可能是
cn=−4an+1=−4v,v:=an+1=nd−1
它什么时候真的是原像? 让 f(−4v) 等于右端(8nd−14d−8=8v−14d):
−4v−v4d2=8v−14d⟹33v2−56dv+16d2=0⟹(3v−4d)(11v−4d)=0
即 v=34d 或 v=114d。d>0 时两者不等,而 v 由 n,d 定死,所以至多一种退化发生,且它只占掉两个原像中的一个。另一个原像 −v/4d2=−v4d2 就是能用的那个(它与 −4v 相等要 v=±4d,两种退化都不是,故确实没重合):
| 退化条件 | 坏原像 −4v 的三项 | 另一个原像 | 它的三项 | 公比 |
|---|
| v=34d | 0, 0, −38d | −3d | −38d, −332d, −3128d | 4 |
| v=114d | −118d, 0, 0 | −11d | −11128d, −11480d, −111800d | 415 |
d>1>0 ⟹ 两行的三项全非零。这样第 ② 步的正向蕴含才真的成立。
本题区间内退化只有两处:d=3n−43 给 (n,d)=(2,23)、d=11n−411 给 (n,d)=(1,711),各换用另一个原像即可。两个原像重合(取等)的情形是 ③ 里某一支取等号:(n−2)d=1 在 d>1 下无整数解,(2n−3)d=2 只给 n=2,d=2——那里 c2=−d=−2,三项 −1,−5,−25、公比 5 ✓,本来就不在退化名单上,无须换。
这两条路差在哪
- 解法一造的是判别式:Δn=(14d−8nd+8)2−4d2≥0,再靠平方差分解成两个一次因式的乘积。它把问题变成一个乘积的符号,好处是分解之后 n 的作用一目了然(n=2 让第一个因式退化成常数)。
- 解法二造的是对勾函数的值域:先说明 cn=0,除下去得 cn+cnd2=8nd−14d−8,用基本不等式读出左边的值域 (−∞,−2d]∪[2d,+∞),问题变成右边落不落在那两段里。它把条件变成一个绝对值不等式,并且顺带告诉你根的符号与取等位置(cn=±d)。
第一个实质动作就分岔了(算判别式 vs 除以 cn 分离),依赖的工具也不同(判别式定理 vs 基本不等式),中间对象一个是数 Δn、一个是函数的值域。所以是两条路。
两条路欠的是同一笔账:都把「存在 cn」换成了「方程有解」,于是都要回头证「三项非零」。还账的手法各带各的味道——解法一用两根之积 =d2 找出另一根 −v4d2,解法二直接用 f(t)=f(td2) 读出另一个原像,是同一件事的两种说法。
考场上怎么选:解法一更短,Δ≥0 写下去就完事,本题的平方差还恰好分解得很干净。解法二的价值在看得见——对勾函数那张图直接显示「中间一段够不到」,2d 这个门槛不是背来的;而且它给出的绝对值形式在讨论 n 时更容易分支(两支各是一次不等式)。
🕳️ 避坑
- 量词是 ∀n ∃cn,不是 ∃c ∀n。 cn 带下标,说明每个 n 各配一个。先固定 n 解掉存在性,再对 n 取交集——顺序反了就是另一道题。
- 「成等比数列」还要求三项非零,而且「cn=0」不等于「三项非零」。 G2=ab 只是必要条件——0=x⋅0 也满足它。用 T22=T1T3 可以看出退化必然让中间项为零,本题即 cn=−4an+1,它成为根的条件是 (3v−4d)(11v−4d)=0(v=an+1),两种退化各吃掉两根中的一个,换另一根(−3d 或 −11d)三项就全非零了。只写「两根之积 =d2>0 故 cn=0」就收工,是把承重的一步跳了。
- 别急着对所有 n 一起处理。 分解出 [(n−2)d−1][(2n−3)d−2]≥0 之后,n=1 与 n≥3 都是恒成立的,只有 n=2 给出真约束。挨个试小的 n、再统一估大的 n,比想一个「万能的 n」快得多。
- 平方差别展开。 (14d−8nd+8)2−4d2 直接按 A2−B2 分解;展开成 d2、nd、n2d2 的多项式就没法看了。
- d>1 要用两次:一次在第 (1) 问筛掉 d=0,一次在第 (2) 问证 n≥3 恒成立。两处都是题目给的、不是白给的。
- 对勾函数的两支要分开写(解法二)。t>0 给上界 2d、t<0 给下界 −2d,合起来才是 ∣⋅∣≥2d;只写正的那一支,条件会少一半。