实数运算之错位相减模型



单选题 (共 4 题 ),每题只有一个选项正确
为了求 $1+2+2^2+2^3+\cdots+2^{2023}$ 的值,可令 $S=1+2+2^2+2^3+\cdots+2^{2023}$ ,则 $2 S=2+2^2+2^3+2^4 \cdots+2^{2024}$ ,因此 $2 S-S=2^{2024}-1$ ,所以 $1+2+2^2+2^3+\cdots+2^{2023}=2^{2024}-1$ .请仿照以上推理计算出 $1+4+4^2+4^3+\cdots+4^{2023}$ 的值是
$\text{A.}$ $4^{2023}-1$ $\text{B.}$ $4^{2024}-1$ $\text{C.}$ $\frac{4^{2023}-1}{3}$ $\text{D.}$ $\frac{4^{2024}-1}{3}$

小明为了求 $1+2+2^2+2^3+\cdots+2^{100}$ 的值,进行了以下探究:他令 $M=1+2+2^2+2^3+\mathrm{L}+2^{100}$ ,在等式两边同乘 2 得, $2 M=2+2^2+2^3+2^4+\mathrm{L}+2^{101}$ ,因此 $2 M-M=2^{101}-1$ ,所以 $M=2^{101}-1$ .即 $1+2+2^2+2^3+\cdots+2^{100}=2^{101}-1$ .请仿照以上推理计算: $1+3+3^2+3^3+\cdots+3^{2023}$ 的值为
$\text{A.}$ $3^{2024}-1$ $\text{B.}$ $\frac{3^{2024}-1}{2}$ $\text{C.}$ $\frac{3^{2024}-1}{3}$ $\text{D.}$ $\frac{3^{2024}-1}{4}$

求 $1+2+2^2+2^3+\cdots+2^{2024}$ 的值,可令 $S=1+2+2^2+2^3+\cdots+2^{2024}$ ,则 $2 S=2+ 2^2+2^3+2^4+\cdots+2^{2025}$ ,因此 $2 S-S=2^{2025}-1$ .仿照以上方法,计算出 $1+5+5^2+5^3+ \cdots+5^{2024}$ 的值为
$\text{A.}$ $5^{2024}-1$ $\text{B.}$ $5^{2025}-1$ $\text{C.}$ $\frac{5^{2025}-1}{4}$ $\text{D.}$ $\frac{5^{2024}-1}{4}$

在求 $1+6+6^2+6^3+6^4+6^5+6^6+6^7+6^8+6^9$ 的值时,小林发现:从第二个加数起每一个加数都是前一个加数的 6 倍,于是她设:$S=1+6+6^2+6^3+6^4+6^5+6^6+6^7+ 6^8+6^9(1)$ ,然后在(1)式的两边都乘以 6 ,得 $6 S=6+6^2+6^3+6^4+6^5+6^6+6^7+6^8+6^9+ 6^{10}(2)$ ,(2)-(1)得 $6 S-S=6^{10}-1$ ,即 $5 S=6^{10}-1$ ,所以 $S=\frac{6^{10}-1}{5}$ 得出答案后,爱动脑筋的小林想:如果把" 6 "换成字母"$a$"$(a \neq 0$ 且 $a \neq 1)$ ,能否求出 $1+a+a^2+a^3+a^4+\cdots+a^{2023}$的值?你的答案是
$\text{A.}$ $\frac{a^{2023}-1}{a-1}$ $\text{B.}$ $\frac{a^{2024}-1}{a-1}$ $\text{C.}$ $\frac{a^{2023}-1}{a}$ $\text{D.}$ $a^{2024}-1$

填空题 (共 5 题 ),请把答案直接填写在答题纸上
为了求 $1+3+3^2+3^3+\cdots+3^{2011}$ 的值,可令 $S=1+3+3^2+3^3+\cdots+3^{2011}$ ,则 $3 S= 3+3^2+3^3+\cdots+3^{2012}$ ,因此 $3 S-S=3^{2012}-1$ 所以 $S=\frac{3^{2012}-1}{2}$ ,仿照以上推理计算出 $S=1+7+7^2+7^3+\cdots+7^{2021}$ 的值是

计算 $1+3+3^2+\cdots+3^{100}$ 的值时,令 $S=1+3+3^2+\cdots+3^{100}$ ,则 $3 S=3+3^2+3^3+\cdots +3^{100}+3^{101}$ ,因此 $3 S-S=3^{101}-1$ ,所以 $S=\frac{3^{101}-1}{2}$ .仿照以上推理,计算: $1-4+4^2- 4^3+4^4-4^5+\cdots 4^{2020}-4^{2021}=$

《庄子•天下篇》中记载道:"一尺之棰,日取其半,万世不竭".这句话的意思是:"一尺长的木棍,每天截掉一半,永远也截不完".根据这句话计算: $1+\frac{1}{2}+\frac{1}{2^2}+\frac{1}{2^3}+\cdots+\frac{1}{2^{2023}}+ \frac{1}{2^{2024}}=$

计算: $1-5+5^2-5^3+5^4-5^5+\cdots+5^{2020}-5^{2021}+5^{2022}-\frac{5^{2023}}{6}=$

观察下列运算过程:

$$
S=1+3+3^2+3^3+\cdots+3^{2016}+3^{2017},
$$

(1)$\times 3$ ,得 $3 S=3+3^2+3^3+\cdots+3^{2017}+3^{2018}$ ,
(2)-(1),得 $2 S=3^{2018}-1, S=\frac{3^{2018}-1}{2}$ .
用上面的方法计算: $1+5+5^2+5^3+\cdots+5^{2017}$ .

解答题 (共 2 题 ),解答过程应写出必要的文字说明、证明过程或演算步骤
阅读材料:求 $1+2+2^2+\cdots+2^{2023}+2^{2024}$ 的值.
解:设 $S=1+2+2^2+\cdots+2^{2023}+2^{2024}$
将等式两边同时乘以 2 ,得 $2 S=2+2^2+2^3+\cdots+2^{2024}+2^{2025}$
将下式减去上式,得 $S=2^{2025}-1$
即 $1+2+2^2+\cdots+2^{2023}+2^{2024}=2^{2025}-1$
请你仿照此法计算:
(1) $1+3+3^2+3^3+...+3^{10}$
(2)$\frac{1}{5}+\frac{1}{5^2}+\frac{1}{5^3}+...+\frac{1}{5^{19}}$

10.【阅读理解】
求若干个相同的有理数(均不等于 0 )的除法运算叫做除方,如: $5 \div 5 \div 5,(-8) \div(-8) \div (-8) \div(-8)$ 等,类比有理数的乘方,我们把 $5 \div 5 \div 5$ 记作 $5^{(3)}$ ,读作" 5 的圈 3 次方",$(-8) \div (-8) \div(-8) \div(-8)$ 记作 $(-8)^{(4)}$ ,读作"-8 的圈 4 次方",一般的,把 $\underbrace{a \div a \div a \div \cdots \div a}_{n \uparrow a}$ 记作 $a^{(n)}$ ,读作 $a$ 的圈 $n$ 次方".
(1)直接写出计算结果:$(-6)^{(4)}=$ $\_\_\_\_$ ;

【类比探究】
(2)有理数的减法运算可以转化为加法运算,除法运算可以转化为乘法运算,有理数的除方运算如何转化为乘方运算呢?试一试,将下列运算结果直接写成幂的形式:

$$
\begin{aligned}
& \left(-\frac{1}{7}\right)^{(10)}=\ldots \quad(n \geq 2 \text { 且 } n \text { 为正整数 }) ; ~ \\
& \left(-\frac{1}{a}\right)^{(10)}=\quad(n \geq 2 \text { 且 } n \text { 为正整数 }) ; ~
\end{aligned}
$$

【实践应用】
(3)计算:
(1)$\left(-\frac{1}{4}\right)^{\text {(4)}} \times(-4)^{\text {(5)}}-\left(\frac{1}{3}\right)^{\text {(4)}} \div 6^{\text {(3)}}$ ;
(2)$\left(\frac{1}{5}\right)^{\text {(3)}}+\left(\frac{1}{5}\right)^{\text {(4)}}+\left(\frac{1}{5}\right)^{\text {(5)}}+...+\left(\frac{1}{5}\right)^{\text {(10)}} \quad$(其中 $n=2022$ ).

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