问题 解答题

设fk(n)为关于n的k(k∈N)次多项式.数列{an}的首项a1=1,前n项和为Sn.对于任意的正整数n,an+Sn=fk(n)都成立.

(I)若k=0,求证:数列{an}是等比数列;

(II)试确定所有的自然数k,使得数列{an}能成等差数列.

答案

(Ⅰ)证明:若k=0,则fk(n)即f0(n)为常数,

不妨设f0(n)=c(c为常数).

因为an+Sn=fk(n)恒成立,

所以a1+S1=c,c=2a1=2.

而且当n≥2时,an+Sn=2,①

an﹣1+Sn﹣1=2,②

①﹣②得 2an﹣an﹣1=0(n∈N,n≥2).

若an=0,则an﹣1=0,…,a1=0,与已知矛盾,所以an≠0(n∈N*).

故数列{an}是首项为1,公比为的等比数列.

(Ⅱ)解:(1)若k=0,由(Ⅰ)知,不符题意,舍去.

(2)若k=1,设f1(n)=bn+c(b,c为常数),

当n≥2时,an+Sn=bn+c,③

an﹣1+Sn﹣1=b(n﹣1)+c,④

③﹣④得 2an﹣an﹣1=b(n∈N,n≥2).

要使数列{an}是公差为d(d为常数)的等差数列,必须有an=b﹣d(常数),

而a1=1,故{an}只能是常数数列,通项公式为an=1(n∈N*),

故当k=1时,数列{an}能成等差数列,其通项公式为an=1(n∈N*),

此时f1(n)=n+1.

(3)若k=2,设f2(n)=pn2+qn+t(a≠0,a,b,c是常数),

当n≥2时,an+Sn=pn2+qn+t,⑤

an﹣1+Sn﹣1=p(n﹣1)2+q(n﹣1)+t,⑥

⑤﹣⑥得 2an﹣an﹣1=2pn+q﹣p(n∈N,n≥2),

要使数列{an}是公差为d(d为常数)的等差数列,必须有an=2pn+q﹣p﹣d,且d=2p,

考虑到a1=1,所以an=1+(n﹣1)2p=2pn﹣2p+1(n∈N*).

故当k=2时,数列{an}能成等差数列,其通项公式为an=2pn﹣2p+1(n∈N*),

此时f2(n)=an2+(a+1)n+1﹣2a(a为非零常数).

(4)当k≥3时,若数列{an}能成等差数列,

根据等差数列通项公式可知Sn是关于n的二次型函数,

则an+Sn的表达式中n的最高次数为2,故数列{an}不能成等差数列.

综上得,当且仅当k=1或2时,数列{an}能成等差数列.

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