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数学-RJ·A-选择性必修第二册
4.2 等差数列
4.2.2 等差数列的前n项和公式
第四章 数列
学习目标
1.探索并掌握等差数列的前n项和公式,理解等差数列的通项公式与前n项和公式的关系以及等差数列的前n项和公式与二次函数的关系.
2.会用等差数列的前n项和公式解决一些简单的与前n项和有关的计算问题.
3.会利用等差数列的通项公式与前n项和公式研究Sn的最值.
4.能在具体的问题情境中,发现数列的等差关系,并解决相应的实际问题.
5.掌握等差数列前n项和的性质并能正确应用.
重点:等差数列前n项和公式及应用、等差数列前n项和公式与二次函数的关系、等差数列前n项和的最值问题、等差数列前n项和的性质及应用、倒序相加求和法、首尾配对求和法
难点:等差数列前n项和的推导、等差数列前n项和公式的应用、等差数列前n项和的性质识记及应用
知识梳理
一、求和:1+2+3+…+n
当n是偶数时,有a1+an=a2+an-1=…=+,
于是有 Sn=1+2+3+…+n
=(1+n)+[2+(n-1)]+…+
=.
当n为奇数时,有 Sn=1+2+3+…+n
=(1+n)+[2+(n-1)]+…++
= +
=·(1+n)+
=.
所以,对任意正整数n,都有
Sn=1+2+3+…+n=.
思考:我们发现,在求前n个正整数的和时,要对n分奇数、偶数进行讨论,比较麻烦.能否设法避免分类讨论?
如果对公式Sn=1+2+3+…+n=作变形,可得
2Sn=2(1+2+3+…+n)=n(n+1),
它相当于两个Sn相加,而结果变成n个(n+1)相加.
受此启发,我们得到下面的方法:
Sn=1+ 2 + 3 +…+n,
Sn=n+(n-1)+(n-2)+…+1,
将上述两式相加,可得
2Sn=(n+1)+[(n-1)+2]+[(n-2)+3]+…+(1+n)
= =n(n+1),
所以Sn=1+2+3+…+n=.
二、求等差数列{an}的前n项和
对于等差数列{an},因为a1+an=a2+an-1=…=an+a1,由上述方法得到启示,我们用两种方式表示Sn:
Sn=a1 + a2 + … + an, ①
Sn=an + an-1+ … + a1. ②
①+②,得
2Sn=(a1+an)+(a2+an-1)+…+(an+a1)
= =n(a1+an).
由此得到等差数列{an}的前n项和公式
Sn=. (1)
把等差数列的通项公式an=a1+(n-1)d代入公式(1),可得
Sn=na1+d. (2)
对于等差数列前n项和公式应注意以下三点:
(1)推导方法为首尾配对求和法和倒序相加法,其中倒序相加法避开了分类讨论;
(2)Sn=与Sn=na1+d均为等差数列前n项和公式,注意灵活选择、应用.当已知a1,an时,多用Sn=;当已知a1,d时,多用Sn=na1+d;
(3)等差数列{an}的求和公式Sn=,Sn=na1+,通项公式an=a1+(n-1)d,这三个公式中涉及a1,d,n,an,Sn五个量,知道其中三个量,可以利用公式求出另外两个量,也称“知三求二”.
三、等差数列前n项和的常用性质
设数列{an}是等差数列,公差为d,Sn为其前n项和,则Sn有如下常用性质:
(1)Sm,S2m-Sm,S3m-S2m,…也成等差数列,公差为m2d.
(2)若项数为奇数2n-1,则S2n-1=(2n-1)an(an为中间项)①;
S奇-S偶=an(an为中间项)②; ③.
若项数为偶数2n,则S2n=n(a1+a2n)=n(an+an+1)(an,an+1为中间两项);
S偶-S奇=nd;=(an,an+1为中间两项).
①的证明:S2n-1===(2n-1)an.
②的证明:S奇=a1+a3+a5+…+a2n-1,S偶=a2+a4+…+a2n-2,
则S奇-S偶=a1+(a3-a2)+(a5-a4)+…+(a2n-1-a2n-2)
=a1+(n-1)d=an.
③的证明:奇数项共n项,偶数项共(n-1)项,
∴ S奇==nan,S偶==(n-1)an,
∴ =.
(3)设{bn}也是等差数列,且其前n项和为Tn,则=,
更一般地,=④.
④的证明:∵ S2m-1==(2m-1)am,
T2n-1==(2n-1)bn,
∴=.
(4)数列也是等差数列,公差为.
(5)数列{an}为等差数列Sn=An2+Bn(A,B为常数).
常考题型
一、等差数列的前n项和的基本运算
例1[2020·宁夏石嘴山高二期末]等差数列{an}的前n项和记为Sn,已知a10=30,a20=50.
(1)求通项an. (2)若Sn=242,求n.
【解】(1)设等差数列{an}的公差为d,
由an=a1+(n-1)d,a10=30,a20=50,
得方程组 解得 所以an=2n+10.
(2)由Sn=na1+d,Sn=242,得方程12n+×2=242,
解得n=11或n=-22(舍去),所以n=11.
训练题
1.[2020·黑龙江双鸭山市一中高三期末]已知等差数列{an},若a2=10,a5=1,则{an}的前7项的和是 ( )
A.112 B.51 C.28 D.18
2.[2020·广西南宁三中高三模拟]等差数列{an}的前n项和为Sn,且a3+a8=13,S7=35,则a8= ( )
A.8 B.9 C.10 D.11
3.[2020·江苏盐城高三检测]已知等差数列{an}的首项为4,公差为2,前n项和为Sn,若Sk-ak+5=60(k∈N*),则k的值为 ( )
A.6 B.7 C.8 D.7或8
C
B
C
二、等差数列的前n项和的性质的应用
例2 [2020·河南洛阳高三模拟]已知等差数列{an}的前n项和为Sn,且S10=100,S100=10,试求S110.
【解】(方法一)∵ S10,S20-S10,S30-S20,…,S100-S90,S110-S100成等差数列,设公差为d,前10项和为10×100+d=10,∴ d=-22.
∴ 前11项的和S110=11×100+d=11×100+×(-22)=-110.
(方法三)设等差数列{an}的公差为d,
则S110=a1+a2+…+a10+a11+a12+…+a110
=(a1+a2+…+a10)+[(a1+10d)+(a2+10d)+…+(a100+10d)]
=S10+S100+10×100d=110+10×100d.
又S10=10a1+d=100,S100=100a1+d=10,
由S100-10S10,得d-d=10-10×100,
∴ 100d=-22.∴ S110=110-22×10=-110.
训练题
1.[2020·广东揭阳三中高二检测]等差数列{an}的前m项的和是40,前2m项的和是100,则它的前3m项的和是 ( )
A.130 B.180 C.210 D.260
2.[2020·云南玉溪一中高二检测]设{an}是任意等差数列,它的前n项和、前2n项和与前4n项和分别为X,Y,Z,则下列等式中恒成立的是 ( )
A.2X+Z=3Y B.4X+Z=4Y C.2X+3Z=7Y D.8X+Z=6Y
3.[2020·福建厦门高一检测]记Sn为等差数列{an}的前n项和,若数列的第六项与第八项之和为4,则a4等于 ( )
A.2 B.4 C.6 D.8
B
D
A
4.[2020·安徽淮南高三月考]设Sn为等差数列{an}的前n项和,且a1=-2 020,-=2 ,则a2= ( )
A.-2 016 B.-2 018 C.2 018 D.2 016
5.一个等差数列共有2n+1项,其奇数项的和为512,偶数项的和为480,则中间项的值为 ( )
A.30 B.31 C.32 D.33
6.[2020·江苏宿迁高一期末]设等差数列{an}的前n项和为Sn,若am=11,S2m-1=121,则m的值为 .
7.[2020·宁大附中高三模拟]已知数列{an},若点(n,an)(n∈N+)均在直线y=k(x-8)+3上,则{an}的前15项和等于 .
B
C
6
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三、两个等差数列的比值问题
例3 [2020·广州中山高三模拟]等差数列{an},{bn}的前n项和为Sn,Tn.若=(n∈N+),则= .
【答案】
D
C
四、等差数列的前n项和的最值问题
例4 已知等差数列{an}的前n项和为Sn,a6+a8=6,S9-S6=3,则Sn取得最大值时n的值为 ( )
A.5 B.6 C.7 D.8
【答案】D
◆求等差数列前n项和Sn的最值的常用方法
1.通项法:在等差数列{an}中,
(1)若a1>0,d<0,Sn有最大值,可由不等式组来确定n;
(2)若a1<0,d>0,Sn有最小值,可由不等式组来确定n.
2.转折项法:找到数列中的正负(或负正)转换项,即令an=0,求出n,若n为整数(即存在为零项),则答案为两个,若n不为整数(即不存在为零项),答案为一个.
3.利用等差数列的前n项和公式求解,求出Sn=n2+(a1-)n对应图象的对称轴.
训练题
1.[2020·内蒙古集宁一中高二检测]若等差数列{an}满足a7+a8+a9>0,a7+a10<0,则当n= 时,{an}的前n项和最大.
2.已知数列{an},an=,前n项和为Sn,关于an及Sn的叙述正确的是 ( )
A.an与Sn都有最大值 B.an与Sn都没有最大值
C.an与Sn都有最小值 D.an与Sn都没有最小值
8
C
3.[2020·山东临沂高三期末]记Sn为等差数列{an}的前n项和,已知a3=8,S4=36.
(1)求{an}的通项公式.
(2)当n为何值时,Sn有最大值?并求其最大值.
4.[2020·浙江金华高一检测]设等差数列{an}的前n项和为Sn,已知a3=12,S12>0,S13<0.
(1)求公差d的取值范围.
(2)指出S1,S2,S3,…,Sn中哪一个值最大,并说明理由.
五、等差数列的前n项的绝对值之和
例5 [2020·山东省实验中学高三检测]等差数列{an}中,a2=4,a4+a7=15.
(1)求数列{an}的通项公式.
(2)设bn=-2an+25,求数列{|bn|}的前n项和.
◆等差数列前n项的绝对值之和的求法
1.求出等差数列的通项公式;
2.利用通项公式判断数列的项的符号变化,找到变号的临界值;
3.根据项的符号去掉绝对值符号;
4.利用等差数列的前n项和公式求解.
【注意】
1.求等差数列的前n项的绝对值之和时,要特别注意对n的分类讨论;
2.求等差数列的前n项的绝对值之和时,最后结果要写成分段函数的形式.
训练题
1.[2020·浙江宁波高一检测]在等差数列{an}中,已知公差d>0,a3+a5=-4,a2a6=-12,则数列{|an|}的前n项和Sn= .
2.[2020·安徽宿州高一期末]已知等差数列{an}满足a1+a4+a7=0,a3+a6+a9=-18,前n项和为Sn.
(1)求S9 . (2)记bn=|an|,求数列{bn}的前9项和T9.
六、特殊数列的前n项和
◆裂项求和的一般步骤
1.求出数列的通项公式;
2.将通项拆成两项或多项的和或差的形式;
3.对数列的前n项进行裂项并表示出前n项的和;
4.求出前n项的和.
训练题
1.[2020·广东梅州高二期末]已知等差数列{an}满足:a3=7,a5与a7的等差中项为13,{an}的前n项和为Sn.
(1)求an以及Sn. (2)若bn=(n∈N*),求数列{bn}的前n项和Tn.
C
2.分组求和
例7 [2020·山东兰陵一中高三模拟]在数列{an}中,a1=1,an+2+(-1)nan=1,记Sn是数列{an}的前n项和,则S40= .
【解析】当n是奇数时,an+2-an=1,数列{an}中奇数项构成等差数列;
当n是偶数时,an+2+an=1.
∴ S40=(a1+a3+a5+…+a39)+(a2+a4+a6+…+a40)
=20a1+×1+10=220.
【答案】220
训练题 [2020·黑龙江大庆高三模拟]已知Sn为等差数列{an}的前n项和,且a1=1,S9=81.记bn=[log5an],其中[x]表示不超过x的最大整数,如[0.9]=0,[log516]=1.
(1)求b1,b14,b61. (2)求数列{bn}的前200项和.
解:(1)设等差数列{an}的公差为d,由已知得
S9=9a5=9(a1+4d)=81,∴ a1+4d=9.
∵ a1=1,∴ d=2,
∴ an=2n-1,
∴ b1=[log51]=0,b14=[log527]=2,b61=[log5121]=2.
(2)当1≤n≤2时,1≤an≤3 (an∈N*),bn=[log5an]=0,共2项;
当3≤n≤12时,5≤an≤23,bn=[log5an]=1,共10项;
当13≤n≤62时,25≤an≤123,bn=[log5an]=2,共50项;
当63≤n≤200时,125≤an≤399,bn=[log5an]=3,共138项.
∴ 数列{bn}的前200项和为2×0+10×1+50×2+138×3=524.
七、等差数列的前n项和的综合应用
例8 [2020·广东深圳中学高三期末]已知函数f(x)的图象连续且在(2,+∞)上单调,又函数y=f(x+2)的图象关于y轴对称,若数列{an}是公差不为0的等差数列,且f(a4)=f(a2016),则{an}的前2 019项之和为 ( )
A.0 B.2 019 C.4 038 D.4 040
【解析】由函数y=f(x+2)的图象关于y轴对称,且函数f(x)的图象连续且在(2,+∞)上单调,
可得y=f(x)的图象关于直线x=2对称且在(-∞,2)上单调.
因为数列{an}是公差不为0的等差数列,且f(a4)=f(a2016),
所以a4+a2016=4.因为{an}是等差数列,可得a4+a2016=a1+a2019=4,
所以{an}的前2 019项之和为S2019==4 038.
【答案】C
训练题
1.[2020·湖南怀化高一联考]已知等差数列{an}的前n项和为Sn,若=a1+a200且A,B,C三点共线(该直线不过原点O),则S200= ( )
A.100 B.101 C.200 D.201
2.[2020·山东青岛高三模拟]已知等差数列{an}的前13项之和为,则tan(a6+a7+a8)等于 ( )
A. B. C.-1 D.1
3.[2020·湖北省荆州中学高二期末]数列{an}满足2an=an-1+an+1,Sn是数列{an}的前n项和,a2,a2019是函数f(x)=x2-6x+5的两个零点,则S2020的值为 ( )
A.6 B.12 C.2 020 D.6 060
A
C
D
八、等差数列的前n项和的实际应用
例9 [2020·山东日照高二期末]我国古代某数学著作中有这么一道题:九百九十六斤棉,赠分八子做盘缠;次第每人多十七,要将第八数来言;务要分明依次第,孝和休惹外人传.意思是说,有996斤棉花全部赠送给8个子女做旅费,从第1个孩子开始,以后每人依次多17斤,直到第8个孩子为止.在这个问题中,第1个孩子分到的棉花为 ( )
A.75斤 B.70斤 C.65斤 D.60斤
【解析】设第一个孩子分配到a1斤棉花,则由题意,得S8=8a1+×17=996,解得a1=65,故选C.
【答案】C
◆建立数列模型的一般方法
1.认真审题,准确理解题意,达到如下要求:
(1)明确问题属于哪类应用问题;
(2)弄清题目中的主要已知事项;
(3)明确所求的结论是什么.
2.抓住数量关系,联想数学知识和数学方法,恰当引入参数变量或建立适当坐标系,将文字语言翻译成数学语言,将数量关系用数学式子表达.
3.将实际问题抽象为数学问题,将已知与所求联系起来,列出满足题意的数学关系式(如函数关系、方程、不等式).
训练题
36[2020·广东中山高二期末]某学校启动建设一个全新的报告厅,该报告厅的座位按如下规则排列:从第二排起,每一排都比前一排多出相同的座位数,且规划第7排有20个座位,则该报告厅前13排的座位总数是 .
37[2020·北京西城区高二期末]某渔业公司今年年初用100万元购进一艘渔船用于捕捞,已知第一年捕捞工作需各种费用4万元,从第二年开始,每年所需费用均比上一年增加2万元.若该渔船预计使用n年,其总花费(含购买费用)为 万元;当n= 时,该渔船年平均花费最低(含购买费用).
260
n2+3n+100
10
知易行难,重在行动
千里之行,始于足下
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