浙江 2025 · 数学 q13

题解图(原卷截图 · 含答案与官方解析)

浙江 2025 · 数学 q13 原卷截图(含答案)

文字转写(题面 + 答案)

题面

  1. 若一个等比数列的前 4 项和为 4,前 8 项和为 68,则该等比数列的公比为 ____.

答案

±2

本题的知识树

2 概念 · 1 公式 · 1 题型 · 2 套路 · 最深 4 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)

等比数列的公比 · 分段作比一步到位,或老实套求和公式 · 最终答案:±2

冷启动:题目只给了两个数

假设你刚学等比数列。

等比数列是什么。 从第 22 项起,每一项都是前一项乘同一个非零常数 qq(叫公比):a2=a1qa_2=a_1q、a3=a1q2a_3=a_1q^2,一般地

an=a1q n−1.a_n=a_1q^{\,n-1}.

SnS_n 是什么。 前 nn 项加起来:Sn=a1+a2+⋯+anS_n=a_1+a_2+\dots+a_n。本题给的就是两个这样的和:

S4=4,S8=68,S_4=4,\qquad S_8=68,

问的是 qq。

先数一下未知量。 一个等比数列由 a1a_1 与 qq 两个数完全定死,题目给了两个方程——数量上够用。但题目只问 qq、不问 a1a_1,所以真正的问题是:

能不能不去求 a1a_1,直接把 qq 逼出来?

下面两条路是对这个问题的两种回答:解法一根本不让 a1a_1 出场;解法二让它出场,再想办法把它消掉。

解法一:分段作比

怎么想到的。 题目给的是 44 项和与 88 项和——8=4+48=4+4,这个巧合值得盯一眼。把 88 项按顺序切成两段、每段 44 项:

a1, a2, a3, a4⏟前段,a5, a6, a7, a8⏟后段\underbrace{a_1,\ a_2,\ a_3,\ a_4}_{\text{前段}},\qquad \underbrace{a_5,\ a_6,\ a_7,\ a_8}_{\text{后段}}

后段的第一项 a5=a1q4a_5=a_1q^4,第二项 a6=a2q4a_6=a_2q^4,第三、四项同理——往后隔 44 项就是乘 44 次 qq,所以后段每一项都是前段对应项乘同一个 q4q^4。既然每一项都乘了同一个数,加起来的和也就乘了同一个数:

a5+a6+a7+a8=(a1+a2+a3+a4) q4=S4 q4.a_5+a_6+a_7+a_8=(a_1+a_2+a_3+a_4)\,q^4=S_4\,q^4 .

于是

S8=S4+S4q4=S4 (1+q4)⟺S8S4=1+q4.S_8=S_4+S_4q^4=S_4\,(1+q^4)\qquad\Longleftrightarrow\qquad \frac{S_8}{S_4}=1+q^4 .

这一步就是分段求和作比。注意 a1a_1 全程没出现过——它在「后段 == 前段 ×q4\times q^4」这句话里被整块约掉了,这正是上面那个问题的答案。

教学图:八项的柱状图,前 4 项(蓝)与后 4 项(绿)切成两段,一条箭头标「整段 × q⁴=16」,两段和分别标 S₄=4 与 S₈−S₄=64(画的是 q=2 那一支;作比与两支验证见上文)

代数据。

1+q4=S8S4=684=17⟹q4=16.1+q^4=\frac{S_8}{S_4}=\frac{68}{4}=17\qquad\Longrightarrow\qquad q^4=16 .

解 q4=16q^4=16。 把 q2q^2 当成一个数看:(q2)2=16\left(q^2\right)^2=16 给出 q2=4q^2=4 或 q2=−4q^2=-4,后者在实数里不可能,所以 q2=4q^2=4,即

q=±2.q=\pm 2 .

两个根都要留。 这里最容易犯的错是只写 q=2q=2。题面只说「一个等比数列」,没有「正项」「各项为正」这类限定,qq 为负完全合法。真的两支都能实现吗?把 a1a_1 补出来看看:

  • q=2q=2:S4=a1(1+2+4+8)=15a1=4S_4=a_1(1+2+4+8)=15a_1=4,故 a1=415a_1=\dfrac{4}{15};
  • q=−2q=-2:S4=a1(1−2+4−8)=−5a1=4S_4=a_1(1-2+4-8)=-5a_1=4,故 a1=−45a_1=-\dfrac{4}{5}。

两个数列都真实存在,且都满足 S8=S4(1+q4)=4×17=68S_8=S_4(1+q^4)=4\times 17=68。所以答案就是 q=±2q=\pm2,一支都不能扔。(上面那张图画的是 q=2q=2 这一支,a1=415a_1=\dfrac{4}{15}。)

「再用正项条件取舍符号」是一步有前提的动作。 分段作比这套套路的收尾常被写成「解出 qq 之后,再用正项等条件取舍符号」。那句话成立的前提是题面真给了那个条件:正项等比数列的各项都为正,于是必有 a1>0a_1>0 且 q>0q>0,负根才扔得掉。本题的题面里没有这句话,取舍的依据不存在——所以取舍这一步不做,q=±2q=\pm2 两个根同时是答案。看到「q4=16q^4=16」就顺手写 q=2q=2,等于把别的题的条件搬到了这道题上。

顺带一提:写成减法是同一条路。 把 S8=S4(1+q4)S_8=S_4(1+q^4) 移项即 S8−S4=S4q4S_8-S_4=S_4q^4,于是 q4=S8−S4S4=644=16q^4=\dfrac{S_8-S_4}{S_4}=\dfrac{64}{4}=16(图上绿色那一段的和正是 S8−S4=64S_8-S_4=64)。它与前面依赖的是同一句结构事实,只是加减方向不同,不算第二条路。

解法二:求和公式作商

怎么想到的。 上面那层结构不是人人第一眼都看得见。看不见时还有一条最本能的路:手上有公式就用公式。等比数列前n项和的闭式是

Sn=a1(1−q n)1−q(q≠1),S_n=\frac{a_1\left(1-q^{\,n}\right)}{1-q}\qquad(q\neq1),

把 n=4n=4 与 n=8n=8 各写一遍,就得到两个含 a1,qa_1,q 的方程。a1a_1 是不想要的,但它在两个式子里都以同一个因子 a11−q\dfrac{a_1}{1-q} 的形式出现——两式一相除,这个因子整块消失。这就是「作商」的动机:不是为了好看,是为了消掉 a1a_1。

第一步:先处理公式用不了的那个 qq。 公式后面那句 q≠1q\neq1 不是装饰——q=1q=1 时分母为 00,这个闭式压根不存在(那时数列是常数列,Sn=na1S_n=na_1)。所以在用公式之前必须分类讨论,把 q=1q=1 单独看一眼:

q=1 ⟹ S4=4a1=4 ⟹ a1=1 ⟹ S8=8a1=8≠68.q=1\ \Longrightarrow\ S_4=4a_1=4\ \Longrightarrow\ a_1=1\ \Longrightarrow\ S_8=8a_1=8\neq 68 .

与题设矛盾,故 q=1q=1 舍去。这一段不是形式主义:求和公式本身是分段定义的,漏掉它等于在一个不成立的前提下往下算。

第二步:作商。 现在 q≠1q\neq1,两个和都可以写出来:

S4=a1(1−q4)1−q=4,S8=a1(1−q8)1−q=68.S_4=\frac{a_1\left(1-q^{4}\right)}{1-q}=4,\qquad S_8=\frac{a_1\left(1-q^{8}\right)}{1-q}=68 .

相除,左边 a11−q\dfrac{a_1}{1-q} 上下约掉,右边是 684\dfrac{68}{4}:

1−q81−q4=17.\frac{1-q^{8}}{1-q^{4}}=17 .

第三步:把分子拆开。 关键一眼:q8=(q4)2q^8=\left(q^4\right)^2,所以分子是个平方差

1−q8=(1−q4)(1+q4).1-q^{8}=\left(1-q^{4}\right)\left(1+q^{4}\right).

约掉 1−q41-q^4 之前先确认它不是 00——1−q4=01-q^4=0 即 q=±1q=\pm1:q=1q=1 上一步已排除;q=−1q=-1 时 S4=a1−a1+a1−a1=0≠4S_4=a_1-a_1+a_1-a_1=0\neq4,也进不来。于是放心约:

1+q4=17 ⟹ q4=16 ⟹ q=±2,1+q^{4}=17\ \Longrightarrow\ q^{4}=16\ \Longrightarrow\ q=\pm2 ,

与解法一落到同一个答案。最后一步「两个根都要留」的道理与解法一一字不差:题面没给正项条件。

这两条路差在哪。 解法一只吃一句结构事实(后段每项 == 前段对应项 ×q4\times q^4),a1a_1 从不出场,也不必操心 q=1q=1——S8=S4(1+q4)S_8=S_4(1+q^4) 对所有 qq 都成立,而 q=1q=1 会给出 1+q4=2≠171+q^4=2\neq17,方程自己就把它排除了。解法二从闭式出发,要交两笔「前提税」:先讨论 q=1q=1、约分前再确认 1−q4≠01-q^4\neq0。 换来的是通用性:条件若改成「S4=4S_4=4,a3=…a_3=\dots」这种不成段的组合,分段关系就无从下手,而「列方程 + 消掉 a1a_1」照样能走。所以两条都该会——考场上先看条件是不是成段给的,是就走解法一(三行到底),不是就退回解法二。

🕳️ 避坑

  • q4=16q^4=16 在实数里有两个根 q=±2q=\pm2,只写 q=2q=2 就丢了一半分。取舍符号之前先找取舍的依据:有「正项」「各项为正」这类条件才扔得掉负根,本题一个字都没给,不能自己替它加上——上面已经把 q=−2q=-2 对应的数列(a1=−45a_1=-\dfrac45)真的造出来了。
  • 分段关系里乘的是 q nq^{\,n},nn 是每段的项数(本题两段各 44 项,乘 q4q^4)。顺手写成 qq、q2q^2,或把 S8=S4(1+q4)S_8=S_4(1+q^4) 写成 S8=S4(1+q8)S_8=S_4(1+q^8),都是把「隔 4 项」记错了。
  • 走解法二时那两笔「前提税」一笔都别欠:q=1q=1 要单独看,1−q41-q^4 没确认非零就别约分。用公式之前先验它的前提,这件事比本题本身更值钱。

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