错位相减法是一种常用的数列求和方法,特别适用于等比数列与等差数列相乘的形式。以下是一个具体的例题:
例题
求和 $S_n = 1 + 3x + 5x^2 + 7x^3 + \ldots + (2n-1)x^{n-1}$(其中 $x \neq 0$,$n \in \mathbb{N}^*$)。
解法
写出 $S_n$ 和 $xS_n$ 的表达式
$$
S_n = 1 + 3x + 5x^2 + 7x^3 + \ldots + (2n-1)x^{n-1}
$$
两边同时乘以 $x$,得到:
$$
xS_n = x + 3x^2 + 5x^3 + 7x^4 + \ldots + (2n-1)x^n
$$
相减得到 $(1-x)S_n$ 的表达式
$$
(1-x)S_n = 1 + 2x(1 + x + x^2 + x^3 + \ldots + x^{n-2}) - (2n-1)x^n
$$
注意到 $1 + x + x^2 + x^3 + \ldots + x^{n-2}$ 是一个等比数列的前 $n-2$ 项和,其和为:
$$
\frac{1 - x^{n-1}}{1 - x}
$$
因此,上式可化简为:
$$
(1-x)S_n = 1 + 2x \cdot \frac{1 - x^{n-1}}{1 - x} - (2n-1)x^n
$$
$$
(1-x)S_n = 1 + 2(1 - x^{n-1}) - (2n-1)x^n
$$
$$
(1-x)S_n = 1 + 2 - 2x^{n-1} - (2n-1)x^n
$$
$$
(1-x)S_n = 3 - (2n+1)x^n
$$
解出 $S_n$
$$
S_n = \frac{3 - (2n+1)x^n}{1-x}
$$
$$
S_n = \frac{3}{1-x} - \frac{(2n+1)x^n}{1-x}
$$
$$
S_n = \frac{3}{1-x} - \frac{2n+1}{1-x}x^n
$$
总结
通过错位相减法,我们得到了 $S_n$ 的表达式为:
$$
S_n = \frac{3}{1-x} - \frac{2n+1}{1-x}x^n
$$
这种方法适用于等比数列与等差数列相乘的求和问题,通过乘以公比并错位相减,可以转化为更容易求解的形式。