数学2.2 等差数列的前n项和第1课时学案
展开学习目标 1.掌握等差数列前n项和公式及其获取思路.2.熟练掌握等差数列的五个量a1,d,n,an,Sn的关系,能够由其中任意三个求另外两个.3.能用an与Sn的关系求an.
导语
高斯(1777-1855),德国著名数学家、物理学家、天文学家,是近代数学的奠基人,享有“数学王子”的美誉.高斯7岁时,有一天老师在黑板上出一道题“1+2+3+4+5+……+100=?”对全班同学说:“你们算一算从1开始一直加到100的和是多少?谁算不出来,就不准回家吃饭!”,同学们不约而同地拿出笔在小石板上沙沙地算起来.不到一分钟,高斯站起来说:“老师,我算出结果来了,是5 050!”老师和其他同学都很吃惊.你知道高斯是怎样快速计算出来的吗?
一、等差数列前n项和的基本运算
问题1 唐朝诗人张南史的宝塔诗《花》原文如下:
花,花.
深浅,芬葩.
凝为雪,错为霞.
莺和蝶到,苑占宫遮.
已迷金谷路,频驻玉人车.
芳草欲陵芳树,东家半落西家.
愿得春风相伴去,一攀一折向天涯.
这首诗每一行的字数有什么特点?全文共有多少字?
提示 每一行的字数构成首项为2,公差为2的等差数列,共有2+4+6+8+10+12+14=56(字).
问题2 对于一般的等差数列,如何利用倒序相加法求它的前n项和?其理论依据是什么?
提示 倒序相加法
eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(Sn=a1+a2+a3+…+an,,Sn=an+an-1+an-2+…+a1,))
⇒eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(Sn=a1+a1+d+a1+2d+…+a1+n-1d,,Sn=an+an-d+an-2d+…+an-n-1d,))
两式相加可得2Sn=n(a1+an),即Sn=eq \f(na1+an,2),上述过程实际上用到了等差数列性质里面的首末“等距离”的两项的和相等.
知识梳理
等差数列前n项和公式
注意点:
(1)公式一反映了等差数列的性质,任意第k项与倒数第k项的和都等于首末两项之和.
(2)由公式二知当d=0时,Sn=na1;当d≠0时,等差数列的前n项和Sn是关于n的没有常数项的“二次函数”.
(3)公式里的n表示的是所求等差数列的项数.
例1 在等差数列{an}中,
(1)已知a3=16,S20=20,求S10;
(2)已知a1=eq \f(3,2),d=-eq \f(1,2),Sn=-15,求n及a12;
(3)已知a1+a2+a3+a4=40,an-3+an-2+an-1+an=80,Sn=210,求项数n.
解 (1)设等差数列{an}的公差为d,
则eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(a1+2d=16,,20a1+\f(2020-1,2)d=20,))解得eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(a1=20,,d=-2.))
所以S10=10×20+eq \f(10×9×-2,2)=200-90=110.
(2)因为Sn=n·eq \f(3,2)+eq \f(nn-1,2)·eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(-\f(1,2)))=-15,
整理得n2-7n-60=0,
解得n=12或n=-5(舍去),
所以a12=eq \f(3,2)+(12-1)×eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(-\f(1,2)))=-4.
(3)因为a1+a2+a3+a4=40,an-3+an-2+an-1+an=80,
所以4(a1+an)=40+80,即a1+an=30.
又因为Sn=eq \f(a1+ann,2)=210,
所以n=eq \f(2×210,a1+an)=14.
反思感悟 等差数列前n项和公式应用的关注点
(1)在运用等差数列的前n项和公式来求和时,一般地,若已知首项a1及末项an用公式Sn=eq \f(na1+an,2)较简便;若已知首项a1及公差d用公式Sn=na1+eq \f(nn-1,2)d较好.
(2)在运用公式Sn=eq \f(na1+an,2)求和时,要注意性质“m,n,p,q∈N+且m+n=p+q⇒am+an=ap+aq”的运用.
(3)构成等差数列前n项和公式的元素有a1,d,n,an,Sn,知其三能求其二.
跟踪训练1 已知等差数列{an}中,
(1)a1=eq \f(1,2),S4=20,求S6;
(2)已知a14=10,求S27.
解 (1)S4=4a1+eq \f(4×4-1,2)d=4a1+6d=2+6d=20,
∴d=3.
故S6=6a1+eq \f(6×6-1,2)d=6a1+15d=3+15d=48.
(2)∵a14=10,a1+a27=2a14,
∴S27=eq \f(27×a1+a27,2)=27a14=270.
二、等差数列前n项和的实际应用
例2 从2021年5月1日开始,有一新款服装投入某商场销售,当日该款服装销售出10件,第二天销售出25件,第三天销售出40件,以后,每天售出的件数分别递增15件,直到5月13日销售量达到最大,然后,每天销售的件数分别递减10件.
(1)记该款服装五月份日销售量与销售天数n的关系为an,求an;
(2)求五月份的总销售量.
解 (1)依题意知,数列a1,a2,…,a13是首项为10,公差为15的等差数列.∴an=15n-5(1≤n≤13),
a14,a15,a16,…,a31是首项为a14=a13-10=180,公差为-10的等差数列.
∴an=180+(n-14)(-10)=-10n+320(14≤n≤31),
∴an=eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(15n-5,1≤n≤13,n∈N+,,-10n+320,14≤n≤31,n∈N+.))
(2)五月份的总销售量为
eq \f(13×10+190,2)+18×180+eq \f(18×17×-10,2)
=3 010(件).
延伸探究 根据以往经验,当该商场销售某服装超过1 300件时,当地社会上就流行,而日销售量连续下降,且日销售量低于100件时,则流行消失.在本例条件下,试求该款服装在社会上流行是否超过10天?并说明理由.
解 5月1日至5月13日销售总数为
eq \f(13a1+a13,2)=eq \f(13×10+190,2)=1 300.
∴5月13日前还没有流行,
由-10n+320<100,得n>22,
∴第22天流行结束,故该服装在社会流行没有超过10天.
反思感悟 应用等差数列解决实际问题的一般思路
跟踪训练2 某人用分期付款的方式购买一件家电,价格为1 150元,购买当天先付150元,以后每月的这一天都交付50元,并加付欠款利息,月利率为1%.若交付150元后的一个月开始算分期付款的第一个月,则分期付款的第10个月该交付多少钱?全部贷款付清后,买这件家电实际花费多少钱?
解 设每次交款数额依次为a1,a2,…,a20,
则a1=50+1 000×1%=60,
a2=50+(1 000-50)×1%=59.5,
…
a10=50+(1 000-9×50)×1%=55.5,
即第10个月应付款55.5元.
由于{an}是以60为首项,以-0.5为公差的等差数列,
所以有S20=eq \f(60+60-19×0.5,2)×20=1 105,
即全部付清后实际付款1 105+150=1 255(元).
三、Sn与an的关系
问题3 (1)等差数列(公差不为0)的前n项和Sn能写成关于n的二次函数吗?
(2)二次函数形式Sn=An2+Bn+C(A,B,C为常数)都表示等差数列的前n项和吗?
(3)数列{an}中,Sn与Sn-1(n≥2)有何关系?
提示 (1)能.
(2)不是.
(3)an=Sn-Sn-1(n≥2).
知识梳理
数列中an与Sn的关系
对于一般数列{an},设其前n项和为Sn,则有an=eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(S1,n=1,,Sn-Sn-1,n≥2.))
注意点:
(1)这一关系对任何数列都适用.
(2)若在由an=Sn-Sn-1(n≥2)求得的通项公式中,令n=1求得a1与利用a1=S1求得的a1相同,则说明an=Sn-Sn-1(n≥2)所得通项公式也适合n=1的情况,数列的通项公式用an=Sn-Sn-1表示.
若在由an=Sn-Sn-1(n≥2)求得的通项公式中,令n=1求得的a1与利用a1=S1求得的a1不相同,则说明an=Sn-Sn-1(n≥2)所得通项公式不适合n=1的情况,数列的通项公式采用分段形式.
例3 若数列{an}的前n项和Sn=2n2-3n-1,求数列{an}的通项公式,并判断数列{an}是否是等差数列.若是,请证明;若不是,请说明理由.
解 ∵Sn=2n2-3n-1,①
当n=1时,a1=S1=2-3-1=-2,
当n≥2时,Sn-1=2eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(n-1))2-3eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(n-1))-1,②
①-②得an=Sn-Sn-1
=2n2-3n-1-[2eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(n-1))2-3eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(n-1))-1]=4n-5,
经检验当n=1时,an=4n-5不成立,
故an=eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(-2,n=1,,4n-5,n≥2.))
故数列{an}不是等差数列,数列{an}是从第二项起以4为公差的等差数列.
延伸探究 本例若把数列{an}的前n项和变为Sn=2n2+3n,求这个数列的通项公式.这个数列是等差数列吗?如果是,它的首项与公差分别是什么?
解 当n=1时,a1=S1=5,
当n≥2时,an=Sn-Sn-1=(2n2+3n)-[2(n-1)2+3(n-1)]=4n+1,
又a1=5适合上式,∴an=4n+1,n∈N+.
故数列{an}是等差数列,它的首项是a1=5,公差是d=4.
反思感悟 等差数列{an}中,若d≠0,则Sn可写成关于n的二次函数形式,反之,若Sn=An2+Bn,那么数列{an}一定是等差数列.
跟踪训练3 已知等差数列{an}的公差d>0,前n项和为Sn,且a2a3=45,S4=28.求数列{an}的通项公式.
解 ∵S4=28,
∴eq \f(a1+a4×4,2)=28,a1+a4=14,
∴a2+a3=14,
又a2a3=45,公差d>0,
∴a2
∴eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(a1+d=5,,a1+2d=9,))解得eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(a1=1,,d=4,))
∴an=4n-3,n∈N+.
1.知识清单:
(1)等差数列前n项和及其计算公式.
(2)由an与Sn的关系求an.
(3)等差数列在实际问题中的应用.
2.方法归纳:函数与方程思想、倒序相加法、整体思想.
3.常见误区:由Sn求通项公式时忽略对n=1的讨论.
1.若等差数列{an}的前5项和S5=25,且a2=3,则a7等于( )
A.12 B.13 C.14 D.15
答案 B
解析 ∵S5=eq \f(5a1+a5,2)=5a3=25,∴a3=5,
∴d=a3-a2=5-3=2,
∴a7=a2+5d=3+10=13.
2.已知{an}的前n项和Sn=eq \f(1,n),则a5的值等于( )
A.eq \f(1,20) B.-eq \f(1,20) C.eq \f(1,30) D.-eq \f(1,30)
答案 B
解析 a5=S5-S4=eq \f(1,5)-eq \f(1,4)=-eq \f(1,20).
3.在各项均为正数的等差数列{an}中,已知公差d=2,an=11,Sn=35,则a1=________,n=________.
答案 3 5
解析 由题意得eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(an=a1+2n-1=11,,Sn=na1+nn-1=35,))
解得eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(a1=3,,n=5))或eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(a1=-1,,n=7))(舍去).
故eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(a1=3,,n=5.))
4.已知数列{an}的前n项和Sn=n2+n,则an=________.
答案 2n
解析 当n=1时,a1=S1=2,
当n≥2时,an=Sn-Sn-1=n2+n-[(n-1)2+(n-1)]=2n,
当n=1时,a1=2也适合an=2n,
综上,an=2n(n∈N+).
课时对点练
1.已知数列{an}中,a1=1,an=an-1+eq \f(1,2)(n≥2,n∈N+),则数列{an}的前9项和等于( )
A.27 B.eq \f(63,2) C.45 D.-9
答案 A
解析 由已知数列{an}是以1为首项,以eq \f(1,2)为公差的等差数列,∴S9=9×1+eq \f(9×8,2)×eq \f(1,2)=9+18=27.
2.(多选)记Sn为等差数列{an}的前n项和.已知S4=0,a5=5,则( )
A.an=2n-5
B.an=3n-10
C.Sn=n2-4n
D.Sn=eq \f(1,2)n2-2n
答案 AC
解析 设首项为a1,公差为d.
由S4=0,a5=5可得eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(a1+4d=5,,4a1+6d=0,))
解得eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(a1=-3,,d=2.))
所以an=-3+2(n-1)=2n-5,Sn=n×(-3)+eq \f(nn-1,2)×2=n2-4n.
3.在等差数列{an}中,S10=4S5,则eq \f(a1,d)等于( )
A.eq \f(1,2) B.2 C.eq \f(1,4) D.4
答案 A
解析 设公差为d,由题意得
10a1+eq \f(1,2)×10×9d=4eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(5a1+\f(1,2)×5×4d)),
所以10a1+45d=20a1+40d,
所以10a1=5d,所以eq \f(a1,d)=eq \f(1,2).
4.已知一个等差数列共n项,且其前四项之和为21,末四项之和为67,前n项和为286,则项数n为( )
A.24 B.26 C.25 D.28
答案 B
解析 设该等差数列为{an},
由题意,得a1+a2+a3+a4=21,an+an-1+an-2+an-3=67,
又a1+an=a2+an-1=a3+an-2=a4+an-3,
∴4(a1+an)=21+67=88,∴a1+an=22.
∴Sn=eq \f(na1+an,2)=11n=286,
∴n=26.
5.一物体从1 960 m的高空降落,如果第1秒降落4.90 m,以后每秒比前一秒多降落9.80 m,那么经过________秒落到地面( )
A.18 B.19 C.20 D.21
答案 C
解析 设物体经过t秒降落到地面.
物体在降落过程中,每一秒降落的距离构成首项为4.90,公差为9.80的等差数列.
所以4.90t+eq \f(1,2)t(t-1)×9.80=1 960,
即4.90t2=1 960,解得t=20.
6.在小于100的自然数中,所有被7除余2的数之和为( )
A.765 B.665 C.763 D.663
答案 B
解析 ∵a1=2,d=7,2+(n-1)×7<100,
∴n<15,
∴n=14,S14=14×2+eq \f(1,2)×14×13×7=665.
7.已知{an}是等差数列,a4+a6=6,其前5项和为S5=10,则其首项a1=________,公差d=________.
答案 1 eq \f(1,2)
解析 a4+a6=a1+3d+a1+5d=6,①
S5=5a1+eq \f(1,2)×5×(5-1)d=10,②
由①②联立解得a1=1,d=eq \f(1,2).
8.将数列{2n-1}与{3n-2}的公共项从小到大排列得到数列{an},则{an}的前n项和为________.
答案 3n2-2n
解析 方法一 (观察归纳法)
数列{2n-1}的各项为1,3,5,7,9,11,13,…;
数列{3n-2}的各项为1,4,7,10,13,….
观察归纳可知,两个数列的公共项为1,7,13,…,是首项为1,公差为6的等差数列,
则an=1+6(n-1)=6n-5.
故前n项和为Sn=eq \f(na1+an,2)=eq \f(n1+6n-5,2)
=3n2-2n.
方法二 (引入参变量法)
令bn=2n-1,cm=3m-2,bn=cm,
则2n-1=3m-2,即3m=2n+1,m必为奇数.
令m=2t-1,则n=3t-2(t=1,2,3,…).
at=b3t-2=c2t-1=6t-5,即an=6n-5.
以下同方法一.
9.在等差数列{an}中.
(1)a1=eq \f(5,6),an=-eq \f(3,2),Sn=-5,求n和d;
(2)a1=4,S8=172,求a8和d.
解 (1)由题意得,Sn=eq \f(na1+an,2)=eq \f(n\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(5,6)-\f(3,2))),2)=-5,
解得n=15.
又a15=eq \f(5,6)+(15-1)d=-eq \f(3,2),
∴d=-eq \f(1,6).
∴n=15,d=-eq \f(1,6).
(2)由已知得S8=eq \f(8a1+a8,2)=eq \f(84+a8,2)=172,
解得a8=39,
又∵a8=4+(8-1)d=39,∴d=5.
∴a8=39,d=5.
10.甲、乙两物体分别从相距70 m的两处同时相向运动,甲第1 min走2 m,以后每分钟比前1 min多走1 m,乙每分钟走5 m.
(1)甲、乙开始运动后几分钟相遇?
(2)如果甲、乙到达对方起点后立即折返,甲继续每分钟比前1 min多走1 m,乙继续每分钟走5 m,那么开始运动几分钟后第二次相遇?
解 (1)设n min后第1次相遇,依题意,有
2n+eq \f(nn-1,2)+5n=70,
整理得n2+13n-140=0,
解得n=7或n=-20(舍去).
第1次相遇是在开始运动后7 min.
(2)设m min后第2次相遇,
依题意有2m+eq \f(mm-1,2)+5m=3×70,
整理得m2+13m-6×70=0,
解得m=15或m=-28(舍去).
所以第2次相遇是在开始运动后15 min.
11.在等差数列{an}中,已知a1=-12,S13=0,则使得an>0的最小正整数n为( )
A.7 B.8
C.9 D.10
答案 B
解析 由S13=eq \f(13a1+a13,2)=0,
得a13=12,则a1+12d=12,得d=2,
∴数列{an}的通项公式为
an=-12+(n-1)×2=2n-14,
由2n-14>0,得n>7,则使得an>0的最小正整数n为8.
12.程大位《算法统宗》里有诗云“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.务要分明依次弟,孝和休惹外人传.”意为:996斤棉花,分别赠送给8个子女做旅费,从第一个开始,以后每人依次多17斤,直到第八个孩子为止.分配时一定要等级分明,则第八个孩子分得斤数为( )
A.65 B.176 C.183 D.184
答案 D
解析 由已知得,每个孩子所得棉花的斤数构成一个等差数列{an},其中d=17,n=8,S8=996.
由等差数列前n项和公式可得8a1+eq \f(8×7,2)×17=996,
解得a1=65.
由等差数列通项公式得a8=65+(8-1)×17=184.
13.把形如M=mn(m,n∈N+)的正整数表示为各项都是整数、公差为2的等差数列的前m项和,称作“对M的m项划分”.例如:9=32=1+3+5,称作“对9的3项划分”;把64表示成64=43=13+15+17+19,称作“对64的4项划分”.据此,对324的18项划分中最大的数是________.
答案 35
解析 设对324的18项划分中最小数为a1,最大数为a18,
则由eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(a18=a1+\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(18-1))×2,,\f(18\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(a1+a18)),2)=324,))解得eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(a1=1,,a18=35.))
14.已知{an}为等差数列,Sn为数列{an}的前n项和,且S7=7,S15=75,则数列eq \b\lc\{\rc\}(\a\vs4\al\c1(\f(Sn,n)))的前n项和Tn=________.
答案 eq \f(1,4)n2-eq \f(9,4)n
解析 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.
15.已知公差大于零的等差数列{an}的前n项和为Sn,且满足:a3a4=117,a2+a5=22.
(1)数列{an}的通项公式an=________.
(2)若数列{bn}是等差数列,且bn=eq \f(Sn,n+c),则非零常数c=________.
答案 (1)an=4n-3(n∈N+) (2)-eq \f(1,2)
解析 (1)设等差数列{an}的公差为d,且d>0.
∵a3+a4=a2+a5=22,
又a3a4=117,
∴a3,a4是方程x2-22x+117=0的两个根.
又公差d>0,∴a3
∴eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(a1+2d=9,,a1+3d=13,))∴eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(a1=1,,d=4,))
∴an=4n-3(n∈N+).
(2)由(1)知,Sn=n×1+eq \f(nn-1,2)×4=2n2-n,
∴bn=eq \f(Sn,n+c)=eq \f(2n2-n,n+c).
∴b1=eq \f(1,1+c),b2=eq \f(6,2+c),b3=eq \f(15,3+c).
∵{bn}是等差数列,
∴2b2=b1+b3,∴2c2+c=0,
∴c=-eq \f(1,2) (c=0舍去).
经检验,c=-eq \f(1,2)符合题意,
∴c=-eq \f(1,2).
16.某仓库有同一型号的圆钢600根,堆放成如图所示的形状,从第二层开始,每一层比下面一层少放一根,而第一层至少要比第二层少一根,要使堆垛的占地面积最小(即最下面一层根数最少),则最下面一层放几根?共堆了多少层?
解 设最下面一层放n根,则最多可堆n层,则1+2+3+…+n=eq \f(nn+1,2)≥600,
所以n2+n-1 200≥0,记ƒ(n)=n2+n-1 200,
因为当n∈N+时,f(n)单调递增,
而f(35)=60>0,f(34)=-10<0,
所以n≥35,因此最下面一层最少放35根.
因为1+2+3+…+35=630,
所以最多可堆放630根,必须去掉上面30根,去掉顶上7层,共1+2+3+…+7=28(根),再去掉顶上第8层的2根,剩下的600根共堆了28层.
故最下面一层放35根,共堆了28层.已知量
首项、末项与项数
首项、公差与项数
选用公式
Sn=eq \f(na1+an,2)
Sn=na1+eq \f(nn-1,2)d
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