高中数学苏教版 (2019)选择性必修第一册4.2 等差数列第2课时教学设计
展开一、等差数列前n项和的实际应用
问题1 请同学们围绕身边的相关生活背景,发挥智慧,命制一个等差数列求和的应用题.
提示 我们学校会议室里的一排排座位;超市里摆放的水果;工地上的一堆钢管等.
例1 某单位用分期付款的方式为职工购买40套住房,共需1 150万元,购买当天先付150万元,按约定以后每月的这一天都交付50万元,并加付所有欠款利息,月利率为1%,若交付150万元后的一个月开始算分期付款的第一个月,问分期付款的第10个月应付多少钱?全部付清后,买这40套住房实际花了多少钱?
解 因购房时付150万元,则欠款1 000万元,依题意知分20次付款,则每次付款的数额依次构成数列{an},则a1=50+1 000×1%=60,
a2=50+(1 000-50)×1%=59.5,
a3=50+(1 000-50×2)×1%=59,
a4=50+(1 000-50×3)×1%=58.5,
所以an=50+[1 000-50(n-1)]×1%
=60-eq \f(1,2)(n-1)(1≤n≤20,n∈N*).
所以{an}是以60为首项,-eq \f(1,2)为公差的等差数列.
所以a10=60-9×eq \f(1,2)=55.5,
a20=60-19×eq \f(1,2)=50.5.
所以S20=eq \f(1,2)×(a1+a20)×20
=10×(60+50.5)=1 105.
所以实际共付1 105+150=1 255(万元).
反思感悟 (1)本题属于与等差数列前n项和有关的应用题,其关键在于构造合适的等差数列.
(2)遇到与正整数有关的应用题时,可以考虑与数列知识联系,抽象出数列的模型,并用有关知识解决相关的问题,是数学建模的核心素养的体现.
跟踪训练1 《张邱建算经》卷上第22题为:今有女善织,日益功疾,且从第2天起,每天比前一天多织相同量的布,若第1天织5尺布,现在一月(按30天计)共织390尺布,则每天比前一天多织________尺布(不作近似计算).
答案 eq \f(16,29)
解析 由题意知,该女每天的织布尺数构成等差数列{an},其中a1=5,S30=390,设其公差为d,则S30=30×5+eq \f(30×29,2)d=390,解得d=eq \f(16,29).故该女子织布每天增加eq \f(16,29)尺.
二、等差数列中前n项和的最值问题
问题2 根据上节课所学,等差数列前n项和公式有什么样的函数特点?
提示 由Sn=na1+eq \f(nn-1,2)d,可知Sn=eq \f(d,2)n2+eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(a1-\f(d,2)))n,当d≠0时,Sn是常数项为0的二次函数.该函数的定义域是n∈N*,公差的符号决定了该二次函数的开口方向,通项简记为Sn=An2+Bn.
知识梳理
等差数列前n项和的最值
(1)在等差数列{an}中,
当a1>0,d<0时,Sn有最大值,使Sn取得最值的n可由不等式组eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(an≥0,,an+1≤0))确定;
当a1<0,d>0时,Sn有最小值,使Sn取得最值的n可由不等式组eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(an≤0,,an+1≥0))确定.
(2)Sn=eq \f(d,2)n2+eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(a1-\f(d,2)))n,若d≠0,则从二次函数的角度看:当d>0时,Sn有最小值;当d<0时,Sn有最大值.当n取最接近对称轴的正整数时,Sn取到最值.
注意点:(1)当a1>0,d>0时Sn有最小值S1,当a1<0,d<0时Sn有最大值S1;(2)Sn取得最大或最小值时的n不一定唯一.
例2 在等差数列{an}中,a1=25,S8=S18,求前n项和Sn的最大值.
解 方法一 因为S8=S18,a1=25,
所以8×25+eq \f(8×8-1,2)d=18×25+eq \f(18×18-1,2)d,
解得d=-2.
所以Sn=25n+eq \f(nn-1,2)×(-2)=-n2+26n=-(n-13)2+169.
所以当n=13时,Sn有最大值为169.
方法二 同方法一,求出公差d=-2.
所以an=25+(n-1)×(-2)=-2n+27.
因为a1=25>0,
由eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(an=-2n+27≥0,,an+1=-2n+1+27≤0))得eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(n≤13\f(1,2),,n≥12\f(1,2).))
又因为n∈N*,
所以当n=13时,Sn有最大值为169.
方法三 因为S8=S18,
所以a9+a10+…+a18=0.
由等差数列的性质得a13+a14=0.
因为a1>0,所以d<0.
所以a13>0,a14<0.
所以当n=13时,Sn有最大值.由a13+a14=0,得
a1+12d+a1+13d=0,
解得d=-2,
所以S13=13×25+eq \f(13×12,2)×(-2)=169,
所以Sn的最大值为169.
方法四 设Sn=An2+Bn.
因为S8=S18,a1=25,
所以二次函数图象的对称轴为x=eq \f(8+18,2)=13,且开口方向向下,
所以当n=13时,Sn取得最大值.
由题意得eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(82A+8B=182A+18B,,A+B=25,))
解得eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(A=-1,,B=26,))
所以Sn=-n2+26n,
所以S13=169,
即Sn的最大值为169.
反思感悟 (1)等差数列前n项和Sn最大(小)值的情形
①若a1>0,d<0,则Sn存在最大值,即所有非负项之和;
②若a1<0,d>0,则Sn存在最小值,即所有非正项之和.
(2)求等差数列前n项和Sn最值的方法
①寻找正、负项的分界点,可利用等差数列性质或利用
eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(an≥0,,an+1≤0))或eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(an≤0,,an+1≥0))来寻找;
②运用二次函数求最值.
跟踪训练2 在等差数列{an}中,a10=18,前5项的和S5=-15.
(1)求数列{an}的通项公式;
(2)求数列{an}的前n项和的最小值,并指出何时取最小值.
解 (1)设等差数列的公差为d,
因为在等差数列{an}中,a10=18,S5=-15,
所以eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(a1+9d=18,,5a1+\f(5,2)×4×d=-15,))
解得eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(a1=-9,,d=3,))
所以an=3n-12,n∈N*.
(2)因为a1=-9,d=3,an=3n-12,
所以Sn=eq \f(na1+an,2)=eq \f(1,2)(3n2-21n)
=eq \f(3,2)eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(n-\f(7,2)))2-eq \f(147,8),
所以当n=3或4时,
前n项和Sn取得最小值为S3=S4=-18.
三、等差数列中的片段和问题
问题3 等差数列eq \b\lc\{\rc\}(\a\vs4\al\c1(an))的前n项和Sn,你能发现Sn与S2n的关系吗?
提示 S2n=a1+a2+…+an+an+1+…+a2n=Sn+(a1+nd)+(a2+nd)+…+(an+nd)=2Sn+n2d,同样我们发现S3n=3Sn+3n2d,这里出现了一个有意思的数列Sn,S2n-Sn=Sn+n2d,S3n-S2n=Sn+2n2d,…,是一个公差为n2d的等差数列.
知识梳理
1.设等差数列{an}的公差为d,Sn为其前n项和,则Sm,S2m-Sm,S3m-S2m,…仍构成等差数列,且公差为m2d.
2.若数列{an}是公差为d的等差数列,则数列eq \b\lc\{\rc\}(\a\vs4\al\c1(\f(Sn,n)))也是等差数列,且公差为eq \f(d,2).
3.在等差数列中,若Sn=m,Sm=n,则Sm+n=-(m+n).
例3 已知Sn是等差数列{an}的前n项和,且S10=100,S100=10,求S110.
解 方法一 设等差数列{an}的首项为a1,公差为d,
∵S10=100,S100=10,
∴eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(10a1+\f(1010-1,2)d=100,,100a1+\f(100100-1,2)d=10,))解得eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(a1=\f(1 099,100),,d=-\f(11,50).))
∴S110=110a1+eq \f(110110-1,2)d
=110×eq \f(1 099,100)+eq \f(110×109,2)×eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(-\f(11,50)))=-110.
方法二 ∵S10,S20-S10,S30-S20,…,S100-S90,S110-S100,…成等差数列,设公差为d,∴该数列的前10项和为10×100+eq \f(10×9,2)d=S100=10,解得d=-22,
∴前11项和S110=11×100+eq \f(11×10,2)×(-22)=-110.
方法三 由eq \b\lc\{\rc\}(\a\vs4\al\c1(\f(Sn,n)))也是等差数列,构造新的等差数列b1=eq \f(S10,10)=10,b10=eq \f(S100,100)=eq \f(1,10),
则d=eq \f(1,9)(b10-b1)=eq \f(1,9)eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(-\f(99,10)))=-eq \f(11,10),
所以b11=eq \f(S110,110)=b10+d=eq \f(1,10)+eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(-\f(11,10)))=-1,
所以S110=-110.
方法四 直接利用性质Sn=m,Sm=n,Sm+n=-(m+n),可知S110=-110.
反思感悟 利用等差数列前n项和的性质简化计算
(1)在解决等差数列问题时,先利用已知求出a1,d,再求所求,是基本解法,有时运算量大些.
(2) 等差数列前n项和Sn的有关性质在解题过程中,如果运用得当可以达到化繁为简、化难为易、事半功倍的效果.
(3)设而不求,整体代换也是很好的解题方法.
跟踪训练3 等差数列{an}的前m项和为30,前2m项和为100,求数列{an}的前3m项的和S3m.
解 方法一 在等差数列中,
∵Sm,S2m-Sm,S3m-S2m成等差数列,
∴30,70,S3m-100成等差数列.
∴2×70=30+(S3m-100),∴S3m=210.
方法二 在等差数列中,eq \f(Sm,m),eq \f(S2m,2m),eq \f(S3m,3m)成等差数列,
∴eq \f(2S2m,2m)=eq \f(Sm,m)+eq \f(S3m,3m).
即S3m=3(S2m-Sm)=3×(100-30)=210.
1.知识清单:
(1)等差数列前n项和的实际应用.
(2)等差数列前n项和的最值问题.
(3)等差数列中的片段和问题.
2.方法归纳:公式法、构造法、函数法、整体代换法.
3.常见误区:等差数列前n项和性质应用的前提是等差数列.
1.已知数列{an}满足an=26-2n,则使其前n项和Sn取最大值的n的值为( )
A.11或12 B.12
C.13 D.12或13
答案 D
解析 ∵an=26-2n,
∴an-an-1=-2(n≥2,n∈N*),
∴数列{an}为等差数列.
又a1=24,d=-2,
∴Sn=24n+eq \f(nn-1,2)×(-2)=-n2+25n
=-eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(n-\f(25,2)))2+eq \f(625,4).
∵n∈N*,
∴当n=12或13时,Sn最大.
2.等差数列eq \b\lc\{\rc\}(\a\vs4\al\c1(an))中,S3=3,S6=9,则S12等于( )
A.12 B.18 C.24 D.30
答案 D
解析 根据题意,得在等差数列eq \b\lc\{\rc\}(\a\vs4\al\c1(an))中,S3,S6-S3,S9-S6,S12-S9,…也成等差数列,
又由S3=3,S6=9,得S6-S3=6,
则S9-S6=9,S12-S9=12,
则S12=S3+(S6-S3)+(S9-S6)+(S12-S9)=3+6+9+12=30.
3.在巴比伦晚期的《泥板文书》中,有按级递减分物的等差数列问题,其中有一个问题大意是:10个兄弟分100两银子,长兄最多,依次减少相同数目,现知第8兄弟分得6两,则长兄可分得银子的数目为( )
A.eq \f(82,5)两 B.eq \f(84,5)两 C.eq \f(86,5)两 D.eq \f(88,5)两
答案 C
解析 设10个兄弟由大到小依次分得aneq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(n=1,2,…,10))两银子,由题意可得
设数列eq \b\lc\{\rc\}(\a\vs4\al\c1(an))的公差为d,其前n项和为Sn,
则由题意得eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(a8=6,,S10=100,))即eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(a1+7d=6,,10a1+\f(10×9,2)d=100,))
解得eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(a1=\f(86,5),,d=-\f(8,5).))所以长兄分得eq \f(86,5)两银子.
4.已知Sn是等差数列eq \b\lc\{\rc\}(\a\vs4\al\c1(an))的前n项和,若a1=-2,eq \f(S2 022,2 022)-eq \f(S2 020,2 020)=2,则eq \f(S2 021,2 021)=________.
答案 2 018
解析 ∵Sn是等差数列eq \b\lc\{\rc\}(\a\vs4\al\c1(an))的前n项和,
∴eq \b\lc\{\rc\}(\a\vs4\al\c1(\f(Sn,n)))是等差数列,设其公差为d.
∵eq \f(S2 022,2 022)-eq \f(S2 020,2 020)=2,∴2d=2,d=1.
∵a1=-2,∴eq \f(S1,1)=-2.
∴eq \f(Sn,n)=-2+(n-1)×1=n-3.
∴eq \f(S2 021,2 021)=2 018.
课时对点练
1.在等差数列{an}中,a1=1,其前n项和为Sn,若eq \f(S8,8)-eq \f(S6,6)=2,则S10等于( )
A.10 B.100 C.110 D.120
答案 B
解析 ∵{an}是等差数列,a1=1,
∴eq \b\lc\{\rc\}(\a\vs4\al\c1(\f(Sn,n)))也是等差数列且首项为eq \f(S1,1)=1.
又eq \f(S8,8)-eq \f(S6,6)=2,
∴eq \b\lc\{\rc\}(\a\vs4\al\c1(\f(Sn,n)))的公差是1,
∴eq \f(S10,10)=1+(10-1)×1=10,
∴S10=100.
2.若等差数列{an}的前m项的和Sm为20,前3m项的和S3m为90,则它的前2m项的和S2m为( )
A.30 B.70 C.50 D.60
答案 C
解析 ∵等差数列{an}中,Sm,S2m-Sm,S3m-S2m也成等差数列,
∴2(S2m-Sm)=Sm+S3m-S2m,
∴2(S2m-20)=20+90-S2m,
∴S2m=50.
3.已知数列{2n-19},那么这个数列的前n项和Sn( )
A.有最大值且是整数 B.有最小值且是整数
C.有最大值且是分数 D.无最大值和最小值
答案 B
解析 易知数列{2n-19}的通项公式为an=2n-19,
∴a1=-17,d=2.
∴该数列是递增的等差数列.
令an=0,得n=eq \f(19,2).
∴a1
4.已知在等差数列eq \b\lc\{\rc\}(\a\vs4\al\c1(an))中,前n项和为Sn,a1>0,a1 010+a1 011=0,则当Sn取最大值时,n等于( )
A.1 010 B.1 011 C.2 020 D.2 021
答案 A
解析 在等差数列eq \b\lc\{\rc\}(\a\vs4\al\c1(an))中,a1>0,a1 010+a1 011=0,故公差d<0,所以a1 010>0,a1 011<0,所以当Sn取最大值时,n=1 010.
5.“垛积术”是我国古代数学的重要成就之一,宋元时期数学家朱世杰在《四元玉鉴》中记载了“三角形垛”,其中的“落一形”堆垛就是每层为“三角形数”的三角锥的堆垛(俯视如图所示,顶上一层1个球,下一层3个球,再下一层6个球,…).若一“落一形”三角锥垛有6层,则该堆垛第6层的小球个数为( )
A.45 B.36 C.28 D.21
答案 D
解析 由题意分析可得a1=1,a2=1+2=3,a3=1+2+3=6,…,则“三角形数”的通项公式an=eq \f(n\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(n+1)),2),a6=eq \f(6×\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(6+1)),2)=21.
6.(多选)设{an}是等差数列,Sn为其前n项和,且S5
A.d<0
B.a7=0
C.S9>S5
D.S6与S7均为Sn的最大值
答案 ABD
解析 ∵S5
∴a6>0,a7=0,a8<0.
∴d<0.
∴S6与S7均为Sn的最大值.
S9-S5=a6+a7+a8+a9=2(a7+a8)<0.
∴S9
答案 -13
解析 由性质Sn=m,Sm=n,Sm+n=-(m+n)可知,S13=-13.
8.已知在等差数列{an}中,Sn为其前n项和,已知S3=9,a4+a5+a6=7,则S9-S6=________.
答案 5
解析 ∵S3,S6-S3,S9-S6成等差数列,
而S3=9,S6-S3=a4+a5+a6=7,
∴S9-S6=5.
9.某抗洪指挥部接到预报,24小时后有一洪峰到达,为确保安全,指挥部决定在洪峰到来之前临时筑一道堤坝作为第二道防线.经计算,除现有的参战军民连续奋战外,还需调用20台同型号翻斗车,平均每辆车工作24小时.从各地紧急抽调的同型号翻斗车目前只有一辆投入使用,每隔20分钟能有一辆翻斗车到达,一共可调集25辆,那么在24小时内能否构筑成第二道防线?
解 从第一辆车投入工作算起各车工作时间(单位:小时)依次设为a1,a2,…,a25.
由题意可知,此数列为等差数列,且a1=24,公差d=-eq \f(1,3).25辆翻斗车完成的工作量为a1+a2+…+a25=25×24+25×12×eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(-\f(1,3)))=500,而需要完成的工作量为24×20=480.
∵500>480,∴在24小时内能构筑成第二道防线.
10.已知在等差数列{an}中,a1=9,a4+a7=0.
(1)求数列{an}的通项公式;
(2)当n为何值时,数列{an}的前n项和取得最大值?
解 (1)由a1=9,a4+a7=0,
得a1+3d+a1+6d=0,
解得d=-2,
∴an=a1+(n-1)·d=11-2n.
(2)方法一 a1=9,d=-2,
Sn=9n+eq \f(nn-1,2)·(-2)=-n2+10n
=-(n-5)2+25,
∴当n=5时,Sn取得最大值.
方法二 由(1)知a1=9,d=-2<0,
∴{an}是递减数列.
令an≥0,
则11-2n≥0,
解得n≤eq \f(11,2).
∵n∈N*,
∴当n≤5时,an>0;
当n≥6时,an<0.
∴当n=5时,Sn取得最大值.
11.已知等差数列eq \b\lc\{\rc\}(\a\vs4\al\c1(an))的前n项和为Sn,若eq \f(S3,S6)=eq \f(1,4),则eq \f(S6,S12)等于( )
A.eq \f(1,8) B.eq \f(7,26) C.eq \f(1,4) D.eq \f(1,2)
答案 C
解析 由等差数列的性质知S3,S6-S3,S9-S6,S12-S9成等差数列,
设S3=k,S6=4keq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(k≠0)),则S9=3S6-3S3=9k,S12=3S9-3S6+S3=16k,
所以eq \f(S6,S12)=eq \f(1,4).
12.已知等差数列{an}的前n项和为Sn,a2=11,eq \f(S15,15)-eq \f(S7,7)=-8,则Sn取最大值时的n为( )
A.6 B.7 C.8 D.9
答案 B
解析 设数列{an}是公差为d的等差数列,
则eq \b\lc\{\rc\}(\a\vs4\al\c1(\f(Sn,n)))是公差为eq \f(d,2)的等差数列.
因为eq \f(S15,15)-eq \f(S7,7)=-8,
故可得8×eq \f(d,2)=-8,
解得d=-2;
则a1=a2-d=13,
则Sn=-n2+14n=-(n-7)2+49,
故当n=7时,Sn取得最大值.
13.等差数列eq \b\lc\{\rc\}(\a\vs4\al\c1(an))的前n项和为Sn,且a1>0,S4=S9,当Sn最大时,n等于( )
A.6 B.7 C.6或7 D.13
答案 C
解析 因为S4=S9,所以4a1+eq \f(4×3,2)d=9a1+eq \f(9×8,2)d,化简得a1+6d=0,
所以a1=-6d,
因为a1>0,所以d<0,
所以Sn=na1+eq \f(nn-1,2)d=-6dn+eq \f(nn-1,2)d=eq \f(d,2)n2-eq \f(13,2)dn,
它的图象是开口向下的抛物线,其对称轴为n=eq \f(13,2),
因为n∈N*,所以当n=6或n=7时,Sn取得最大值.
14.现有200根相同的钢管,把它们堆成正三角形垛,要使剩余的钢管尽可能少,那么剩余钢管的根数为________.
答案 10
解析 由题意知钢管排列方式是从上到下各层钢管数组成了一个等差数列,最上面一层钢管数为1,逐层增加1个.
∴钢管总数为1+2+3+…+n=eq \f(nn+1,2).
当n=19时,S19=190.当n=20时,S20=210>200.
∴当n=19时,剩余钢管根数最少,为10根.
15.某大楼共有12层,有11人在第一层上了电梯,他们分别要去第2至12层,每层1人,因特殊原因,电梯只能停在某一层,其余10人都要步行到所要去的楼层,假设初始的“不满意度”为0,每位乘客每向下步行一层的“不满意度”增量为1,每向上步行1层的“不满意度”增量为2,要使得10人“不满意度”之和最小,电梯应该停在第几层( )
A.7 B.8 C.9 D.10
答案 C
解析 设电梯所停的楼层是n(2≤n≤12),
则S=1+2+…+(n-2)+2[1+2+…+(12-n)]
=eq \f(n-2n-1,2)+2×eq \f(12-n13-n,2)
=eq \f(3,2)eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(n2-\f(53,3)n))+157=eq \f(3,2)eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(n-\f(53,6)))2-eq \f(532,24)+157,
开口向上,对称轴为n=eq \f(53,6)≈9,
故S在n=9时取最小值Smin=eq \f(3×92-53×9+314,2)=40.
16.已知{an}为等差数列,Sn为数列{an}的前n项和,且S7=7,S15=75,求数列eq \b\lc\{\rc\}(\a\vs4\al\c1(\f(Sn,n)))的前n项和Tn.
解 设等差数列{an}的公差为d,
则Sn=na1+eq \f(nn-1,2)d.
∵S7=7,S15=75,
∴eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(7a1+21d=7,,15a1+105d=75,))
即eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(a1+3d=1,,a1+7d=5,))解得eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(a1=-2,,d=1,))
∴eq \f(Sn,n)=a1+eq \f(n-1,2)d=-2+eq \f(n-1,2),
∴eq \f(Sn+1,n+1)-eq \f(Sn,n)=eq \f(1,2),
∴数列eq \b\lc\{\rc\}(\a\vs4\al\c1(\f(Sn,n)))是等差数列,且其首项为-2,公差为eq \f(1,2).
∴Tn=eq \f(1,4)n2-eq \f(9,4)n.
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