E · 数列的概念、表示与递推 · 01

数列的概念与表示

数列是按照一定顺序排列的一列数。本篇介绍数列的项、序号,以及用表格、图像和公式表示数列的方法。

项与序号的对应

按照确定顺序排列的一列数叫作数列,每个数叫作数列的项。这里的项都是实数,序号从 $1$ 开始,取正整数。

符号与含义
$n$序号,表示第几项。
$a_n$第 $n$ 项,表示这个位置上的数,也叫通项。
$a_1$首项,即第一个数。

$a_n$ 的下标表示位置,不是 $a$ 与 $n$ 相乘。

项数无限的叫无穷数列,通常写成

$$ a_1,a_2,a_3,\ldots,a_n,\ldots $$

项数有限的叫有穷数列。若总项数为正整数 $N$,最后一项就是 $a_N$,序号 $n$ 只能取 $1,2,\ldots,N$。

数列简记为 $\{a_n\}$,顺序仍须保留,不能按普通集合理解。例如,$2,2,5$ 有三项,两个 $2$ 分别占第 1、2 项。不同位置的项值可以相同,但每个序号只能对应一个项值。

数列的离散定义域

把序号看作自变量,把相应的项看作函数值。用 $D$ 表示所有允许序号组成的定义域,用 $f$ 表示序号到项值的对应规则,就有

$$ a_n=f(n),\qquad n\in D $$

无穷数列的定义域是正整数集,记作 $\mathbb N^*=\{1,2,3,\ldots\}$;总项数为 $N$ 的有穷数列,定义域是 $D=\{1,2,\ldots,N\}$。在这个定义域内,每个 $n$ 对应唯一的实数 $a_n$,恰好符合函数的要求。函数允许不同自变量对应同一个函数值,因此数列中出现相同项值并不矛盾。

反过来,一个实值函数在这些序号上的函数值,按序号依次排列,也就构成了数列。

数列的特殊之处在于,自变量只能取这些分立的序号,不能在相邻整数之间任意取值。例如,第 1 项和第 2 项都存在,并不意味着还存在“第 $1.5$ 项”。这就是“离散”的含义。

同一数列的不同表示

下面用同一个数列说明四种表示方法:按规则“第 $n$ 项取 $2n-1$”确定各项,序号 $n$ 取正整数。

依次列出各项:看清顺序

按序号从小到大排列项值。这个数列的开头是:

$$1,3,5,7,9,\ldots$$

从左到右分别是第 $1,2,3,4,5,\ldots$ 项。省略号表示还有后续项;后续由已给定的规则确定。

表格表示:序号与项值逐一对应

把序号和项值放在同一行,就能直接找到每个位置对应的数。下表只列出前五项。

前五项的序号与项值
序号 $n$项值 $a_n$
$1$$1$
$2$$3$
$3$$5$
$4$$7$
$5$$9$

图像表示:一个序号对应一个点

把序号 $n$ 作为横坐标、项值 $a_n$ 作为纵坐标,每一项就对应点 $(n,a_n)$。例如,第 $2$ 项为 $3$,对应点 $(2,3)$。

数列 aₙ=2n−1 的前五个离散点横轴是序号 n,纵轴是项值 aₙ。点的坐标为 (1,1)、(2,3)、(3,5)、(4,7)、(5,9),点之间不连线。135790项值 aₙ序号 n1(1,1)2(2,3)3(3,5)4(4,7)5(5,9)
这里只标出前五项。每个点都对应一个整数序号;点之间的空白没有补入其他项。

这些点虽然逐渐升高,但相邻整数序号之间没有其他项,不能连成连续曲线来补出“第 $1.5$ 项”。

通项公式:由序号直接求项值

用含序号 $n$ 的式子给出第 $n$ 项,叫作通项公式。这个数列的规则写成:

$$a_n=2n-1,\qquad n\in\mathbb N^*$$

例如,代入 $n=3$,得到 $a_3=2\times3-1=5$,与列表、表格和图像中的第 $3$ 项一致。

四种表示描述的是同一个对应关系。通项公式很方便,但不是数列存在的必要条件;有序的数据、表格或其他明确关系也可以确定数列。

有限项与后续规则

上面的例子是先给定规则 $a_n=2n-1$,再由规则算出各项。如果只告诉你前四项是 $1,3,5,7$,却没有给出后续规则,情况就不同了。

一种规则是:对每个正整数序号 $n$,项值都取 $2n-1$,于是第 5 项为 $2\times5-1=9$。另一种规则是:前四项依次取 $1,3,5,7$,从第 5 项起全部取 $0$。这两种规则都为每个正整数序号指定了唯一项值,都能确定一个无穷数列;它们前四项完全相同,第五项却不同。

相同的前四项,不同的第五项
给定规则前四项第 5 项
每项取 $2n-1$$1,3,5,7$$9$
前四项相同,此后全为 $0$$1,3,5,7$$0$

因此,看到前几项后猜测“后面继续每次增加 $2$”是一个可能的猜想,不能当作已知条件。无论已知多少项,只要已知的项数有限,且没有其他限制,就可以让下一项取两个不同的值,再分别约定其余各项,从而得到不同的后续规则。有限项可以启发猜测,但不能单独确定后续规律。如果明确说明四项就是全部项,$1,3,5,7$ 则已经完整给出了一个有穷数列,此时不存在需要继续确定的第 5 项。

相邻项与单调性

相邻的是位置,项值未必相差 $1$

$a_n$ 与 $a_{n+1}$ 分别位于第 $n$ 项和下一项。以已给定的 $a_n=2n-1$ 为例,取 $n=2$:

两个相邻位置,对应两个项值
当前项下一项
序号$n=2$$n+1=3$
项值$a_2=3$$a_3=5$

这里序号相差 $1$,项值相差 $5-3=2$。序号相邻,不等于项值相差 $1$。

单调性:每一对相邻项都要满足条件

对于至少有两项的数列,下表中的不等式都要求对定义域内每一对相邻项成立。有穷数列的总项数为 $N$ 时,只比较 $n=1,2,\ldots,N-1$。

变化方向与判断条件
类型相邻项条件有穷数列例子
递增$a_{n+1}>a_n$$1,3,5$
递减$a_{n+1}<a_n$$5,3,1$
常数列$a_{n+1}=a_n$$2,2,2$
不减$a_{n+1}\ge a_n$$1,1,2$
不增$a_{n+1}\le a_n$$2,2,1$

递增、递减要求严格不等;不减、不增允许相邻项相等。因此 $1,1,2$ 不减,但不递增。这些类别并不互斥:常数列既不减,也不增。

表中例子均只含列出的三项,已经比较了全部相邻项。对于无穷数列,开头几项上升不能证明整个数列递增,必须依据规则判断所有相邻项。

用规则证明,而不只观察开头

对于 $a_n=2n-1$,先求下一项,再比较两项之差:

$a_{n+1}=2(n+1)-1=2n+1$

把规则中的序号 $n$ 换成 $n+1$,展开括号并合并常数项,得到下一项。

$a_{n+1}-a_n=(2n+1)-(2n-1)$

将下一项和当前项的表达式代入,作差时减去整个当前项。

$a_{n+1}-a_n=2>0$

去括号后,两个 $2n$ 相消,留下 $1+1=2$。

对每个正整数 $n$,差都为 $2>0$,所以这个无穷数列递增。

上下交替:不符合单调条件

$$1,-1,1,-1,\ldots$$

这个数列的第 $n$ 项记作 $b_n$,规则为 $b_n=(-1)^{n-1}$,$n\in\mathbb N^*$。奇数序号对应偶数指数,项值为 $1$;偶数序号对应奇数指数,项值为 $-1$。

一次下降,一次上升
相邻位置项值比较变化
$1\to2$$-1<1$下降
$2\to3$$1>-1$上升

一次下降就违反了不减的要求,一次上升就违反了不增的要求。因此它既不递增,也不递减,更不是常数列;但每个序号仍唯一对应一个项值,所以它仍是数列。

核心结论

数列的核心是序号与项值的对应。$n$ 表示第几项,$a_n$ 是该位置唯一确定的实数;顺序不能忽略,不同位置的项值可以相同。

序号只能取规定的整数。无穷数列的定义域是 $\mathbb N^*$;有穷数列的定义域是 $\{1,2,\ldots,N\}$,其中 $N$ 为总项数。因此,数列是一种离散函数。

列表、表格、图像和通项公式描述同一个对应关系。已给定的规则决定各项;仅凭前几项作出的猜测,不能代替这个规则。