高中数学高考2 第2讲 等差数列及其前n项和
展开这是一份高中数学高考2 第2讲 等差数列及其前n项和,共18页。试卷主要包含了等差数列与等差中项,等差数列的性质等内容,欢迎下载使用。
第2讲 等差数列及其前n项和
最新考纲
考向预测
1.通过生活中的实例,理解等差数列的概念和通项公式的意义.
2.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.
3.能在具体的问题情境中,发现数列的等差关系,并解决相应的问题.
4.体会等差数列与一元一次函数的关系.
命题趋势
等差数列的基本运算、基本性质,等差数列的证明是考查的热点.本讲内容在高考中既可以以选择、填空的形式进行考查,也可以以解答题的形式进行考查.解答题往往与数列的计算、证明、等比数列、数列求和、不等式等问题综合考查,难度中低档.
核心素养
数学抽象、逻辑推理
1.等差数列与等差中项
(1)等差数列的定义:
①文字语言:一个数列从第2项起,每一项与它的前一项的差都等于同一个常数;
②符号语言:an+1-an=d(n∈N*,d为常数).
(2)等差中项:若三个数a,A,b组成等差数列,则A叫做a,b的等差中项.
2.等差数列的通项公式与前n项和公式
(1)通项公式:an=a1+(n-1)d.
(2)前n项和公式:Sn=na1+d=.
3.等差数列的性质
已知数列{an}是等差数列,Sn是其前n项和.
(1)通项公式的推广:an=am+(n-m)d(n,m∈N*).
(2)若k+l=m+n(k,l,m,n∈N*),则ak+al=am+an.
(3)若{an}的公差为d,则{a2n}也是等差数列,公差为2d.
(4)若{bn}是等差数列,则{pan+qbn}也是等差数列.
(5)数列Sm,S2m-Sm,S3m-S2m,…构成等差数列.
常用结论
1.等差数列与函数的关系
(1)通项公式:当公差d≠0时,等差数列的通项公式an=a1+(n-1)d=dn+a1-d是关于n的一次函数,且一次项系数为公差d.若公差d>0,则为递增数列,若公差d<0,则为递减数列.
(2)前n项和:当公差d≠0时,Sn=na1+d=n2+n是关于n的二次函数且常数项为0.
2.两个常用结论
(1)关于等差数列奇数项和与偶数项和的性质
①若项数为2n,则S偶-S奇=nd,=;
②若项数为2n-1,则S偶=(n-1)an,S奇=nan,S奇-S偶=an,=.
(2)两个等差数列{an},{bn}的前n项和Sn,Tn之间的关系为=.
常见误区
1.当公差d≠0时,等差数列的通项公式是n的一次函数;当公差d=0时,an为常数.
2.注意利用“an-an-1=d”时加上条件“n≥2”.
1.判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)
(1)若一个数列从第2项起,每一项与它的前一项的差都是常数,则这个数列是等差数列.( )
(2)已知数列{an}的通项公式是an=pn+q(其中p,q为常数),则数列{an}一定是等差数列.( )
(3)数列{an}为等差数列的充要条件是其通项公式为n的一次函数.( )
(4)数列{an}为等差数列的充要条件是对任意n∈N*,都有2an+1=an+an+2.( )
(5)等差数列{an}的单调性是由公差d决定的.( )
(6)等差数列的前n项和公式是常数项为0的二次函数.( )
答案:(1)× (2)√ (3)× (4)√ (5)√ (6)×
2.已知Sn为等差数列{an}的前n项和,a2=2,S4=14,则S6等于( )
A.32 B.39
C.42 D.45
解析:选B.设公差为d,由题意得
解得所以S6=6a1+d=39.
3.已知{an}为等差数列,其前n项和为Sn,若a1=1,a3=5,Sn=64,则n=( )
A.6 B.7
C.8 D.9
解析:选C.因为d==2,Sn=na1+d=n+n(n-1)=64,解得n=8(负值舍去).故选C.
4.(易错题)已知数列{an}中,a1=1,an=an-1+(n≥2),则数列{an}的通项公式为__________.
解析:当n≥2时,an=an-1+,所以{an}是首项为1,公差为的等差数列,则an=1+(n-1)×=n+.
答案:an=n+
5.(2020·高考全国卷Ⅱ)记Sn为等差数列{an}的前n项和.若a1=-2,a2+a6=2,则S10=____________.
解析:通解:设等差数列{an}的公差为d,则由a2+a6=2,得a1+d+a1+5d=2,即-4+6d=2,解得d=1,所以S10=10×(-2)+×1=25.
优解:设等差数列{an}的公差为d,因为a2+a6=2a4=2,所以a4=1,所以d===1,所以S10=10×(-2)+×1=25.
答案:25
等差数列的基本运算
(1)(一题多解)(2019·高考全国卷Ⅰ)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=2n2-8n D.Sn=n2-2n
(2)(2020·河南部分重点高中联考)记等差数列{an}的前n项和为Sn,若3S5-5S3=135,则数列{an}的公差d=________.
【解析】 (1)方法一:设等差数列{an}的公差为d,
因为所以解得所以an=a1+(n-1)d=-3+2(n-1)=2n-5,Sn=na1+d=n2-4n.故选A.
方法二:设等差数列{an}的公差为d,
因为所以解得
选项A,a1=2×1-5=-3;
选项B,a1=3×1-10=-7,排除B;
选项C,S1=2-8=-6,排除C;
选项D,S1=-2=-,排除D.故选A.
(2)因为3S5-5S3=135,所以3-
5=135,所以15d=135,解得d=9.
【答案】 (1)A (2)9
等差数列的基本运算的解题策略
(1)等差数列的通项公式及前n项和公式共涉及五个量a1,an,d,n,Sn,知其中三个就能求另外两个,体现了方程思想.
(2)数列的通项公式和前n项和公式在解题中起到变量代换的作用,而a1和d是等差数列的两个基本量,用它们表示已知量和未知量是常用方法.
1.(2020·六校联盟第二次联考)设等差数列{an}的前n项和为Sn,若a4+S5=2,S7=14,则a10=( )
A.18 B.16
C.14 D.12
解析:选C.设{an}的公差为d,由可得解得所以a10=-4+9×2=14,选C.
2.(2020·合肥第一次教学检测)已知等差数列{an}的前n项和为Sn,a1=1,S4=4S2.
(1)求数列{an}的通项公式;
(2)若am+am+1+am+2+…+am+9=180(m∈N*),求m的值.
解:(1)设等差数列{an}的公差为d,
由S4=4S2得,4a1+6d=8a1+4d,整理得d=2a1,
又a1=1,所以d=2,
所以an=a1+(n-1)d=2n-1(n∈N*).
(2)am+am+1+am+2+…+am+9=180可化为10am+45d=20m+80=180.
解得m=5.
等差数列的判定与证明
已知数列{an}中,a1=,其前n项和为Sn,且满足an=(n≥2).
(1)求证:数列是等差数列;
(2)求数列{an}的通项公式.
【解】 (1)证明:当n≥2时,Sn-Sn-1=.
整理,得Sn-1-Sn=2SnSn-1.
两边同时除以SnSn-1,得-=2.
又==4,所以是以4为首项,以2为公差的等差数列.
(2)由(1)可得数列的通项公式为=4+(n-1)×2=2n+2,所以Sn=.
当n≥2时,an=Sn-Sn-1=-=.
当n=1时,a1=,不适合上式.
所以an=
【引申探究】 (变条件)本例的条件变为:a1=,Sn=(n≥2),证明是等差数列.
证明:因为Sn=,所以2Sn-1Sn+Sn=Sn-1,即Sn-1-Sn=2SnSn-1,故-=2(n≥2),
又==4,因此数列是首项为4,公差为2的等差数列.
等差数列的判定与证明方法
[注意]在解答题中证明一个数列为等差数列时,只能用定义法.
1.已知数列{an}的前n项和Sn=an2+bn(a,b∈R)且a2=3,a6=11,则S7等于( )
A.13 B.49
C.35 D.63
解析:选B.由Sn=an2+bn(a,b∈R)可知数列{an}是等差数列,依题意得,d===2,则an=a2+(n-2)d=2n-1,即a1=1,a7=13,所以S7=×7=×7=49.
2.数列{an}满足2an=an-1+an+1(n≥2),且a2=-6,a6=6,Sn是数列{an}的前n项和,则( )
A.S4<S3 B.S4=S3
C.S4>S1 D.S4=S1
解析:选B.数列{an}满足2an=an-1+an+1(n≥2),则数列{an}是等差数列,
设等差数列{an}的公差为d.
因为a2=-6,a6=6,
所以4d=a6-a2=12,即d=3.
所以an=-6+3(n-2)=3n-12,
所以S1=a1=-9,S3=a1+a2+a3=-9-6-3=-18,
S4=a1+a2+a3+a4=-9-6-3+0=-18,
所以S4<S1,S3=S4.
故选B.
等差数列的性质及应用
角度一 等差数列项的性质
(1)在等差数列{an}中,a2,a14是方程x2+6x+2=0的两个实数根,则=( )
A.- B.-3
C.-6 D.2
(2)(多选)设{an}是等差数列,Sn是其前n项的和,且S5<S6,S6=S7>S8,则下列结论正确的是( )
A.d<0
B.a7=0
C.S9>S5
D.S6与S7均为Sn的最大值
【解析】 (1)因为a2,a14是方程x2+6x+2=0的两个实数根,所以a2+a14=-6,a2a14=2,由等差数列的性质可知,a2+a14=2a8=-6,所以a8=-3,则=,故选A.
(2)S6=S5+a6>S5,则a6>0,S7=S6+a7=S6,则a7=0,则d=a7-a6<0,S8=S7+a8<S7,a8<0.则a7+a8<0,所以S9=S5+a6+a7+a8+a9=S5+2(a7+a8)<S5,由a7=0,a6>0知S6,S7是Sn中的最大值.从而ABD均正确.
【答案】 (1)A (2)ABD
如果{an}为等差数列,m+n=p+q,则am+an=ap+aq(m,n,p,q∈N*).因此,若出现am-n,am,am+n等项时,可以利用此性质将已知条件转化为与am(或其他项)有关的条件;若求am项,可由am=(am-n+am+n)转化为求am-n,am+n或am-n+am+n的值.
角度二 等差数列前n项和的性质
(1)已知等差数列{an}的前10项和为30,它的前30项和为210,则前20项和为( )
A.100 B.120
C.390 D.540
(2)(2020·山东菏泽一中月考)已知等差数列{an}的公差为4,其项数为偶数,所有奇数项的和为15,所有偶数项的和为55,则这个数列的项数为( )
A.10 B.20
C.30 D.40
【解析】 (1)设Sn为等差数列{an}的前n项和,则S10,S20-S10,S30-S20成等差数列,
所以2(S20-S10)=S10+(S30-S20),
又等差数列{an}的前10项和为30,前30项和为210,
所以2(S20-30)=30+(210-S20),解得S20=100.
(2)设等差数列{an}的公差为d,项数为n,前n项和为Sn,因为d=4,S奇=15,S偶=55,所以S偶-S奇=d=2n=40,所以n=20,即这个数列的项数为20.故选B.
【答案】 (1)A (2)B
等差数列前n项和的性质
在等差数列{an}中,Sn为其前n项和,则
(1)S2n=n(a1+a2n)=…=n(an+an+1);
(2)S2n-1=(2n-1)an;
(3)当项数为偶数2n时,S偶-S奇=nd;项数为奇数2n-1时,S奇-S偶=a中,S奇∶S偶=n∶(n-1).
角度三 等差数列的前n项和的最值
(一题多解)(2020·广东省七校联考)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
【解析】 方法一:设数列{an}的公差为d,则由题意得,解得所以an=-2n+17,由于a8>0,a9<0,所以Sn取得最大值时n的值是8,故选D.
方法二:设数列{an}的公差为d,则由题意得,解得则Sn=15n+×(-2)=-(n-8)2+64,所以当n=8时,Sn取得最大值,故选D.
【答案】 D
求等差数列{an}的前n项和Sn的最值的方法
1.等差数列{an}的前n项和为Sn,若a1+a3+a5+a7+a9=20,则S9=( )
A.27 B.36
C.45 D.54
解析:选B.依题意a1+a3+a5+a7+a9=5a5=20,a5=4,所以S9=×9=9a5=36.
2.(2020·成都市诊断性检测)设公差不为0的等差数列{an}的前n项和为Sn,若a5=3a3,则=( )
A. B.
C. D.
解析:选D.====×3=.
3.设等差数列{an}的前n项和为Sn,且a1>0,a3+a10>0,a6a7<0,则满足Sn>0的最大自然数n的值为( )
A.6 B.7
C.12 D.13
解析:选C.因为在等差数列{an}中a1>0,a6a7<0,所以a6>0,a7<0,等差数列的公差小于零,又a3+a10=a1+a12>0,a1+a13=2a7<0,所以S12>0,S13<0,所以满足Sn>0的最大自然数n的值为12.
[A级 基础练]
1.若等差数列{an}的公差为d,则数列{a2n-1}是( )
A.公差为d的等差数列
B.公差为2d的等差数列
C.公差为nd的等差数列
D.非等差数列
解析:选B.数列{a2n-1}其实就是a1,a3,a5,a7,…,奇数项组成的数列,它们之间相差2d.
2.已知数列{an}为等差数列,Sn为其前n项和,2+a5=a6+a3,则S7=( )
A.2 B.7
C.14 D.28
解析:选C.因为2+a5=a6+a3,所以2+a4+d=a4+2d+a4-d.解得a4=2,所以S7==7a4=14.
3.已知数列{an}满足a1=15,且3an+1=3an-2,若ak·ak+1<0,则正整数k=( )
A.21 B.22
C.23 D.24
解析:选C.3an+1=3an-2⇒an+1=an-⇒{an}是等差数列,则an=-n.因为ak·ak+1<0,所以<0,所以
A.a10=0
B.S10最小
C.S7=S12
D.S20=0
解析:选AC.根据题意,数列{an}是等差数列,若a1+5a3=S8,即a1+5a1+10d=8a1+28d,变形可得a1=-9d,又由an=a1+(n-1)d=(n-10)d,则有a10=0,故A一定正确;不能确定a1和d的符号,不能确定S10最小,故B不正确;又由Sn=na1+=-9nd+=×(n2-19n),则有S7=S12,故C一定正确;则S20=20a1+d=-180d+190d=10d,因为d≠0,所以S20≠0,则D不正确.
5.已知数列{an}的前n项和为Sn,a1=1,a2=2,且对于任意n>1,n∈N*,满足Sn+1+Sn-1=2(Sn+1),则( )
A.a9=17 B.a10=18
C.S9=81 D.S10=90
解析:选B.因为对于任意n>1,n∈N*,满足Sn+1+Sn-1=2(Sn+1),
所以Sn+1-Sn=Sn-Sn-1+2,所以an+1-an=2.
所以数列{an}在n≥2时是等差数列,公差为2.又a1=1,a2=2,
则a9=2+7×2=16,a10=2+8×2=18,S9=1+8×2+×2=73,S10=1+9×2+×2=91.故选B.
6.已知数列{an}(n∈N+)是等差数列,Sn是其前n项和,若a2a5+a8=0,S9=27,则S8的值是________.
解析:设等差数列{an}的公差为d,则a2a5+a8=(a1+d)·(a1+4d)+a1+7d=a+4d2+5a1d+a1+7d=0,S9=9a1+36d=27,解得a1=-5,d=2,则S8=8a1+28d=-40+56=16.
答案:16
7.(应用型)某剧场有20排座位,后一排比前一排多2个座位,最后一排有60个座位,则剧场总共的座位数为________.
解析:设第n排的座位数为an(n∈N*),数列{an}为等差数列,其公差d=2,则an=a1+(n-1)d=a1+2(n-1).由已知a20=60,得60=a1+2×(20-1),解得a1=22,则剧场总共的座位数为==820.
答案:820
8.已知数列{an}与均为等差数列(n∈N+),且a1=2,则a20=________.
解析:设an=2+(n-1)d,所以==,由于为等差数列,所以其通项是一个关于n的一次函数,所以(d-2)2=0,所以d=2.所以a20=2+(20-1)×2=40.
答案:40
9.在①数列{Sn-n2}是公差为-3的等差数列,②Sn=n2+an-5n+4,③数列{an}是公差不为0的等差数列,且a3a6=a这三个条件中任意选择一个,添加到下面的题目中,然后解答补充完整的题目.
已知数列{an}中,a1=-2,{an}的前n项和为Sn,且________.
求an.
解:若选择①,
因为a1=-2,所以S1-12=a1-1=-3.
因为{Sn-n2}是公差为-3的等差数列,
所以Sn-n2=-3-3(n-1)=-3n.
所以Sn=n2-3n.
当n≥2时,an=Sn-Sn-1=(n2-3n)-[(n-1)2-3(n-1)]=2n-4.
当n=1时,a1=-2,符合上式.
所以an=2n-4.
若选择②.
因为Sn=n2+an-5n+4,
所以当n≥2时,Sn-1=(n-1)2+an-1-5(n-1)+4,
两式相减,得an=n2-(n-1)2+an-an-1-5n+5(n-1),
即an-1=2n-6.
所以an=2n-4(n∈N*).
若选择③,
设等差数列{an}的公差为d,由a3a6=a可得(a1+2d)·(a1+5d)=(a1+3d)2.
又a1=-2,d≠0,所以d=2,
所以数列{an}的通项公式为an=2n-4.
10.若数列{an}的各项均为正数,对任意n∈N*,a=anan+2+t,t为常数,且2a3=a2+a4.
(1)求的值;
(2)求证:数列{an}为等差数列.
解:(1)因为对任意n∈N*,a=anan+2+t,
令n=2,得a=a2a4+t.①
令n=1,得a=a1a3+t.②
①-②得a-a=a2a4-a1a3,即a3(a3+a1)=a2(a2+a4),
所以==2.
(2)证明:a=anan+2+t,a=an+1an+3+t,
两式相减得=,
所以数列为常数列,所以==2,
所以an+an+2=2an+1,
所以数列{an}为等差数列.
[B级 综合练]
11.(多选)设等差数列{an}的前n项和为Sn,公差为d.已知a3=12,S12>0,a7<0,则( )
A.a6>0
B.-<d<-3
C.当Sn<0时,n的最小值为13
D.数列中的最小项为第7项
解析:选ABCD.由题意,得S12=×12=6(a6+a7)>0.又a7<0,所以a6>0,所以A正确.根据题意得解得-<d<-3,所以B正确.因为S13=×13=13a7<0,又S12>0,所以当Sn<0时,n的最小值为13,所以C正确.由上述分析可知,当n∈[1,6]时,an>0,当n∈[7,+∞)时,an<0,当n∈[1,12]时,Sn>0,当n∈[13,+∞)时,Sn<0,所以当n∈[1,6]时,>0,当n∈[13,+∞)时,>0,当n∈[7,12]时,<0,且当n∈[7,12]时,{an}为单调递减数列(an<0),Sn为单调递减数列(Sn>0),所以中的最小项为第7项,所以D正确.故选ABCD.
12.若数列{an}为等差数列,an>0,前n项和为Sn,且S2n-1=a,则a9的值是________.
解析:因为S2n-1=a,所以=a,即=a,所以an=a,又an>0,所以an=2n+1,所以a9=19.
答案:19
13.(2019·高考全国卷Ⅰ)记Sn为等差数列{an}的前n项和.已知S9=-a5.
(1)若a3=4,求{an}的通项公式;
(2)若a1>0,求使得Sn≥an的n的取值范围.
解:(1)设{an}的公差为d,
由S9=-a5得a1+4d=0,
由a3=4得a1+2d=4,
于是a1=8,d=-2.
因此{an}的通项公式为an=10-2n.
(2)由(1)得a1=-4d,故an=(n-5)d,Sn=.
由a1>0知d<0,故Sn≥an等价于n2-11n+10≤0,解得1≤n≤10.
所以n的取值范围是{n|1≤n≤10,n∈N}.
14.已知公差大于零的等差数列{an}的前n项和为Sn,且满足a2a4=65,a1+a5=18.
(1)求数列{an}的通项公式;
(2)是否存在常数k,使得数列{}为等差数列?若存在,求出常数k;若不存在,请说明理由.
解:(1)设公差为d,因为{an}为等差数列,
所以a1+a5=a2+a4=18,又a2a4=65,所以a2,a4是方程x2-18x+65=0的两个实数根,又公差d>0,所以a2<a4,所以a2=5,a4=13.
所以所以所以an=4n-3.
(2)存在.由(1)知,Sn=n+×4=2n2-n,
假设存在常数k,使数列{}为等差数列.
由+=2,
得+=2,解得k=1.
所以==n,
当n≥2时,n-(n-1)=,为常数,
所以数列{}为等差数列.
故存在常数k=1,使得数列{}为等差数列.
[C级 创新练]
15.多环芳香烃化合物中有不少是致癌物质,学生钟爱的快餐油炸食品中会产生苯并芘,它是由苯和芘稠合而成的一类多环芳香烃,长期食用会致癌.下面是一组多环芳香烃的结构简式和分子式:
名称
萘
蒽
并四苯
…
并n苯
结构简式
…
…
分子式
C10H8
C14H10
C18H12
…
…
由此推断并十苯的分子式为________.
解析:因为多环芳香烃的分子式中C的下标分别是10,14,18,…,H的下标分别是8,10,12,…,所以多环芳香烃的分子式中C的下标是公差为4的等差数列,设C的下标构成的等差数列为{an},其公差为d1,则a4=18,d1=4,故an=4n+2,所以a10=42.多环芳香烃的分子式中H的下标是公差为2的等差数列,设H的下标构成的等差数列为{bn},其公差为d2,则b4=12,d2=2,故bn=2n+4.所以b10=24,所以并十苯的分子式为C42H24.
答案:C42H24
16.已知定义:在数列{an}中,若a-a=p(n≥2,n∈N*,p为常数),则称{an}为等方差数列.下列命题正确的是( )
A.若{an}是等方差数列,则{a}是等差数列
B.{(-1)n}是等方差数列
C.若{an}是等方差数列,则{akn}(k∈N*,k为常数)不可能还是等方差数列
D.若{an}既是等方差数列,又是等差数列,则该数列为常数列
解析:选ABD.若{an}是等方差数列,则a-a=p,故{a}是等差数列,故A正确;an=(-1)n时,a-a=(-1)2n-(-1)2(n-1)=0,故B正确;若{an}是等方差数列,则由A知{a}是等差数列,从而{a}(k∈N*,k为常数)是等差数列,设其公差为d,则有a-a=d,由定义知{akn}是等方差数列,故C不正确;若{an}既是等方差数列,又是等差数列,则a-a=p,an-an-1=d,所以a-a=(an-an-1)(an+an-1)=d(an+an-1)=p,若d≠0,则an+an-1=.又an-an-1=d,解得an=,{an}为常数列;若d=0,该数列也为常数列,故D正确.
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