裂项相消法

一、常用的裂项相消公式:

常用式:\(\cfrac{1}{n(n+1)}=\cfrac{1}{n}-\cfrac{1}{n+1}\);推广式:\(\cfrac{1}{n(n+k)}=\cfrac{1}{k}(\cfrac{1}{n}-\cfrac{1}{n+k})\)

常用式:\(\cfrac{1}{\sqrt{n+1}+\sqrt{n}}=\sqrt{n+1}-\sqrt{n}\);推广式:\(\cfrac{1}{\sqrt{n+k}+\sqrt{n}}=\cfrac{1}{k}(\sqrt{n+k}-\sqrt{n})\)

常用式:\(\cfrac{1}{4n^2-1}=\cfrac{1}{2}(\cfrac{1}{2n-1}-\cfrac{1}{2n+1})\)

不常用:\(log_a(1+\cfrac{1}{n})=log_a(n+1)-log_an\)

二、裂项相消公式的记忆方法:

比如,\(\cfrac{2}{(n-1)(n+1)}=2\cdot \cfrac{1}{(n-1)(n+1)}=2\cdot \Box (\cfrac{1}{n-1}-\cfrac{1}{n+1})\)

那么小括号前面的系数到底该是多少才能使得原式保持恒等变形呢?

我们只需要做通分的工作,将

\(\cfrac{1}{n-1}-\cfrac{1}{n+1}=\cfrac{(n+1)-(n-1)}{(n-1)(n+1)}=\cfrac{2}{(n-1)(n+1)}\)

\(\cfrac{1}{(n-1)(n+1)}=\cfrac{1}{2}(\cfrac{1}{n-1}-\cfrac{1}{n+1})\)

故上述\(\Box\)位置应该为\(\cfrac{1}{2}\)

\(\cfrac{2}{(n-1)(n+1)}=2\cdot \cfrac{1}{2} (\cfrac{1}{n-1}-\cfrac{1}{n+1})=\cfrac{1}{n-1}-\cfrac{1}{n+1}\)

再比如\((\sqrt{n+1}+\sqrt{n})(\sqrt{n+1}-\sqrt{n})=1\),故\(\cfrac{1}{\sqrt{n+1}+\sqrt{n}}=\sqrt{n+1}-\sqrt{n}\)

三、裂项相消时常采用的两种书写模式

如数列\(a_n=\cfrac{1}{n(n+2)}\),求其前\(n\)项和\(S_n\)

分析:先裂项得到,\(a_n=\cfrac{1}{2}(\cfrac{1}{n}-\cfrac{1}{n+2})\)

\(S_n=a_1+a_2+a_3+\cdots+a_n\)

则往下的求和书写格式有以下两种:

第一种书写格式:横向消项,容易出错;

\(S_n=\cfrac{1}{2}[(1-\cfrac{1}{3})+(\cfrac{1}{2}-\cfrac{1}{4})+(\cfrac{1}{3}-\cfrac{1}{5})+\cdots+(\cfrac{1}{n-1}-\cfrac{1}{n+1})+(\cfrac{1}{n}-\cfrac{1}{n+2})]\)

\(=\cfrac{1}{2}(1+\cfrac{1}{2}-\cfrac{1}{n+1}-\cfrac{1}{n+2})\)

第二种书写格式:纵向消项,不易出错,如右图所示;

$\begin{array}{cc} &1&-&\not\frac{1}{3}&\\ &\frac{1}{2}&-&\not\frac{1}{4}&\\ &\not\frac{1}{3}&-&\not\frac{1}{5}&\\ &\cdots&\cdots&\cdots&\\ &\not\frac{1}{n-2}&-&\not\frac{1}{n}&\\ &\not\frac{1}{n-1}&-&\frac{1}{n+1}&\\ &\not\frac{1}{n}&-&\frac{1}{n+2}&\\ \end{array}$

先得到表达式,然后如右图所示,将每一个小括号写成两列,

\(S_n=\cfrac{1}{2}[(1-\cfrac{1}{3})+(\cfrac{1}{2}-\cfrac{1}{4})+(\cfrac{1}{3}-\cfrac{1}{5})+\cdots+(\cfrac{1}{n-1}-\cfrac{1}{n+1})+(\cfrac{1}{n}-\cfrac{1}{n+2})]\)

然后如右图所示,将每一个小括号写成两列,很明显可以斜向消项,第一列剩余前两项,第二列剩余后两项,故结果为

\(S_n=\cfrac{1}{2}(1+\cfrac{1}{2}-\cfrac{1}{n+1}-\cfrac{1}{n+2})\)

在给一个练习题,通过此练习题,更能体会纵向书写的妙处。

\(a_n=\cfrac{1}{n(n+3)}\),求其前\(n\)项和\(S_n\)

四、典例剖析:

  • 2018天津高考中的一个裂项相消说明:

\(\cfrac{k\cdot 2^{k+1}}{(k+1)(k+2)}=\cfrac{2^{k+2}}{k+2}-\cfrac{2^{k+1}}{k+1}\)是如何变形得到的?

分析: 这样的变形是为了利用数列\(\{\cfrac{2^{k+1}}{k+1}\}\)完成消项。

\(\cfrac{k\cdot 2^{k+1}}{(k+1)(k+2)}\)

\(=2^{k+1}\cdot\cfrac{k}{(k+1)(k+2)}\)

\(=2^{k+1}\cdot \cfrac{2(k+1)-(k+2)}{(k+1)(k+2)}\)

\(=2^{k+1}\cdot (\cfrac{2}{k+2}-\cfrac{1}{k+1})\)

\(=\cfrac{2^{k+2}}{k+2}-\cfrac{2^{k+1}}{k+1}\)

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