内容正文:
4.2.2 等差数列的前n项和公式
第2课时 等差数列前n项和的性质及应用
第四章 4.2 等差数列
知识层面
1.理解等差数列前n项和的性质并学会运用.
2.能够利用等差数列前n项和的函数性质求其前n项和的最值.
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.
素养层面
通过对等差数列前n项和的性质的应用,培养数学运算、逻辑推理的素养.
知识点一 等差数列前n项和的性质
1
知识点二 等差数列前n项和的最值
2
课时测评
5
综合应用
3
内容索引
随堂演练
4
知识点一 等差数列前n项和的性质
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问题导思
问题1.设等差数列{an}的前n项和为Sn,公差为d,你能发现Sn,S2n-Sn,S3n-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,这里出现了一个数列Sn,S2n-Sn=Sn+n2d,S3n-S2n=Sn+2n2d,…,是一个公差为n2d的等差数列.
问题3.公差为d,项数为2n项的等差数列{an}中,各项和S2n、奇数项之和
S奇与偶数项之和S偶分别如何表示?若项数为(2n+1)项呢?
新知构建
等差数列前n项和的性质
性质1:
“片段和”
性质 (1)若Sn,S2n,S3n,…分别为等差数列{an}的前n项,前2n项,前3n项,…和,则Sn,S2n-Sn,S3n-S2n,…也成等差数列,公差为_____.
(2)若数列{an}是公差为d的等差数列,则数列 也是等差数列,公差为____
性质2:
“奇偶项”
性质 (1)若等差数列的项数为2n(n∈N*),则S2n=n(an+an+1),S偶-S奇=____,
=(S奇≠0).
(2)若等差数列的项数为2n-1(n∈N*),则S2n-1=(2n-1)an(an是数列的中间项),S奇-S偶=an, =_______(S奇≠0)
性质3:
其它性质 (1)在等差数列中,若Sn=m,Sm=n,则Sm+n=-(m+n).
(2)若{an},{bn}为等差数列,且前n项和分别为Sn,Tn,则
n2d
nd
性质3:
其它性质 (1)在等差数列中,若Sn=m,Sm=n,则Sm+n=-(m+n).
(2)若{an},{bn}为等差数列,且前n项和分别为Sn,Tn,则
微提醒
(1)上述性质可用于小题,大题中要先证再用.(2)性质Sn,S2n-Sn,S3n-S2n,…成等差数列,不能误解为Sn,S2n,S3n,…成等差数列.
例1
√
(2)(2024·宁夏中宁月考)已知等差数列{an}的前n项和为Sn,S2n=6,S3n=12,则Sn的值为
A.0 B.2
C.3 D.4
√
因为Sn,S2n-Sn,S3n-S2n成等差数列,故有2(6-Sn)=Sn+(12-6),解得Sn=2.故选B.
(3)已知某等差数列共有10项,其奇数项之和为15,偶数项之和为30,则其公差为
A.5 B.4
C.3 D.2
√
规律方法
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,但有时运算量大些.
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.
对点练1.(1)(2024·陕西西安月考)等差数列{an}共有2n+1项,所有的奇数项之和为165,所有的偶数项之和为150,则n=________.
10
(2)(2024·江苏镇江高二期中)已知Sn是等差数列{an}的前n项和.若a1=
-2 022, =6,则S2 024=________.
2 024
对点练2.(2024·湖北鄂南高二检测)已知Sn是等差数列{an}的前n项和,且S10=100,S100=10,求S110.
解:法一:设等差数列{an}的首项为a1,公差为d,
因为S10=100,S100=10,
法二:因为S10,S20-S10,S30-S20,…,S100-S90,S110-S100,…成等差数列,设公差为d,所以该数列的前10项和为10×100+ d=S100=10,解得d=-22,
所以前11项和S110=11×100+ ×(-22)=-110.
所以S110=-110.
法四:直接利用性质若Sn=m,则Sm=n,Sm+n=-(m+n),可知S110=
-110.
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知识点二 等差数列前n项和的最值
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问题导思
问题4.根据上节课所学,若一个数列{an}的前n项和为Sn=-n2+5n,你能说明数列{an}的单调性吗?该数列的前n项和有最值吗?
提示:由Sn=-n2+5n求得an=-2n+6,d=-2<0,故数列{an}是递减数列,由an=-2n+6知,a1>a2>0,a3=0,0>a4>a5>…,则该数列的前n项和Sn在n=2或n=3时取到最大值.
新知构建
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___________值,使Sn取得最值的n可由不等式组
确定;
当a1<0,d>0时,Sn有最____值,使Sn取得最值的n可由不等式组
确定.
(2)Sn= ,若d≠0,则从二次函数的角度看:当d>0时,Sn有最___值;当d<0时,Sn有最___值.当n取最接近对称轴的正整数时,Sn取到最值.
大
an≥0
an+1≤0
小
an≤0
an+1≥0
小
大
在求等差数列前n项和的最值中,Sn取得最大或最小值时的n唯一吗?是否也一定在顶点处取到呢?
提示:由于n取正整数,所以Sn取得最大或最小值时的n不一定唯一(例如人教A版教材P23例9在n=5,或n=6时取最大值),同时也不一定在顶点处取到最值,而可能是在离顶点最近的横坐标取正整数的点处取到最值.
微思考
例2
(链教材P23例9)数列{an}的前n项和Sn=33n-n2.
(1)求{an}的通项公式;
解:法一(公式法):
当n≥2时,an=Sn-Sn-1=33n-n2-33(n-1)+(n-1)2=34-2n,
又当n=1时,a1=S1=32=34-2×1,满足an=34-2n.
故{an}的通项公式为an=34-2n.
法二(结构特征法):
由Sn=-n2+33n知Sn是关于n的缺常数项的二次型函数,所以{an}是等差
数列,由Sn的结构特征知
解得a1=32,d=-2,
所以an=32+(n-1)×(-2)=34-2n.
(2){an}的前多少项和最大.
解:法一(公式法):
令an≥0,得34-2n≥0,所以n≤17,
故数列{an}的前17项大于或等于零,又a17=0,
故数列{an}的前16项或前17项的和最大.
法二(函数性质法):
由y=-x2+33x的对称轴为x= ,
距离最近的整数为16,17.
由Sn= -n2+33n的图象可知:
当n≤17时,an≥0,当n≥18时,an<0,
故数列{an}的前16项或前17项的和最大.
变式探究
1.(一题多解)(变条件)若将本例条件变为“Sn为等差数列{an}的前n项和,且a1=25,S9=S17”,求{an}的前多少项和最大及最大和的值.
解:法一:因为S9=S17,a1=25,
解得d=-2.
所以当n=13时,Sn有最大值169.
法二:同法一,求出公差d=-2.
所以an=25+(n-1)×(-2)=-2n+27.
因为a1=25>0,
又因为n∈N*,所以当n=13时,可得Sn有最大值169.
法三:因为S9=S17,所以a10+a11+…+a17=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,可得Sn有最大值169.
法四:因为S9=S17,所以二次函数对称轴为n= =13,且开口方向
向下,
所以当n=13时,Sn取得最大值169.
2.(变条件,变设问)若将本例条件变为“Sn为等差数列{an}的前n项和,a1=-11,a3+a7=-6”,求Sn的最小值.
解:由题设,知 解得d=2,
则Sn=-11n+ ×2=n2-12n,
所以当n=6时,Sn取得最小值,Sn的最小值为-36.
规律方法
求等差数列前n项和的最值的方法
1.二次函数法:用求二次函数的最值的方法来求其前n项和的最值,但要注意n∈N+,结合二次函数图象的对称性来确定n的值,更加直观.
2.邻项变号法:当a1>0,d<0, 时,Sn取得最大值;当a1<0,d>0, 时,Sn取得最小值.
对点练3.已知数列{an}的前n项和公式为Sn=2n2-30n.
(1)求出数列的通项公式,并判断这个数列是不是等差数列;
解:当n=1时,有a1=S1=-28.
当n≥2时,有an=Sn-Sn-1=2n2-30n-[2(n-1)2-30(n-1)]=4n-32.
又因为4×1-32=-28,所以n=1时an=4n-32也成立,
因此数列的通项公式为an=4n-32.
因为an+1-an=4(n+1)-32-(4n-32)=4,
所以{an}是等差数列.
(2)求Sn的最小值,并求Sn取得最小值时n的值.
解:法一:因为Sn=2n2-30n=2(n2-15n)=
又因为n是正整数,所以当n=7或8时,Sn最小,最小值是2×72-30×7=-112.
法二:由an=4n-32可知数列{an}是递增的等差数列,而且首项a1=
-28<0.
令an≤0,可得4n-32≤0,解得n≤8,而且a8=0.
由此可知,n=7或8时,Sn最小,最小值是 =-112.
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综合应用
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例3
等差数列前n项和的实际应用
(链教材P23例8)从4月1日开始,有一新款服装投入某商场销售.4月1日该款服装售出10件,以后每天售出的该款服装都比前一天多15件,直到4月12日销售量达到最大,然后每一天售出的该款服装都比前一天少9件.
(1)记从4月1日起该款服装日销售量为an,销售天数为n,1≤n≤30,求an关于n的函数关系式;
解:设从4月1日起该款服装日销售量构成数列.
由题意知,数列a1,a2,…,a12是首项为10,公差为15的等差数列,
所以an=10+(n-1)×15=15n-5(1≤n≤12,n∈N*).
而a13,a14,a15…,a30是首项为a13=a12-9=166,公差为-9的等差数列,
所以an=166+(n-13)×(-9)=-9n+283(13≤n≤30,n∈N*).
(2)求4月份该款服装的总销售量;
(3)按规律,当该商场销售此服装超过1 200件时,该款服装在社会上就开始流行;当此服装的销售量连续下降,且日销售量低于100件时,则不再流行.试问该款服装在社会上流行是否超过10天?请说明理由.
S13=S12+a13=1 110+166=1 276(件)>1 200(件),
故4月13日前该款服装在社会上还没有流行,但日销量不低于100件,
由-9n+283<100,得n> .
故从4月21日开始该款服装在社会上不再流行,即该款服装在社会上流行没有超过10天.
规律方法
应用等差数列解决实际问题的一般思路
对点练4.(1)朱世杰是历史上最伟大的数学家之一,他所著的《四元玉鉴》卷中“如象招数”五问中有如下问题:“今有官司差夫一千八百六十四人筑堤,只云初日差六十四人,次日转多七人.”其大意为“官府陆续派遣1 864人前往修筑堤坝,第一天派出64人,从第二天开始每天派出的人数比前一天多7人.”在该问题中的1 864人全部派遣到位需要的天数为
A.9 B.16
C.18 D.20
√
根据题意设每天派出的人数组成数列{an},分析可得数列是首项a1=64,公差d=7的等差数列,设该问题中的1 864人全部派遣到位的天数为n,则64n+ ×7=1 864,依次将选项中的n值代入检验得,n=16满足方程.故选B.
(2)(链教材P55T3(2))《莱茵德纸草书》是世界上最古老的数学著作之一,其中一道题目的背景是这样的:把100片面包分给5个人,使每个人分得的面包数成等差数列,且使较大的三个数之和的 是较小的两个数之和,若
将这5个数从小到大排列成递增的等差数列,则该数列的公差为____.
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课堂小结
知识 1.等差数列前n项和的性质.2.等差数列前n项和的最值
方法 1.等差数列前n项和的性质:简化运算,整体代换思想.2.等差数列前n项和的最值:二次函数法、邻项变号法、性质法、数形结合思想.3. 解决等差数列前n项和实际应用问题的思路:建模、解模、还原
易错
误区 1.对性质不熟导致运算繁琐.2.由于n取正整数,所以Sn取得最大或最小值时的n不一定在顶点处取到最值,而可能是在离顶点最近的横坐标取正整数的点处取到最值
随堂演练
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√
1.(2024·九省适应性测试)记等差数列 的前n项和为Sn,a3+a7=6,a12=17,则S16=
A. 120 B. 140
C. 160 D. 180
因为a3+a7=2a5=6,所以a5=3,所以a5+a12=3+17=20,所以S16=
=8(a5+a12)=160.故选C.
2.(2024·四川成都高二月考)设等差数列{an}的前n项和为Sn,若S3=9,S6=36,则a7+a8+a9=
A.63 B.45
C.36 D.27
√
由等差数列前n项和的性质可知,S3,S6-S3,S9-S6构成等差数列,所以S3+(S9-S6)=2(S6-S3),即S9=3S6-3S3,又S3=9,S6=36,所以S9=3×36-3×9=81,所以a7+a8+a9=S9-S6=81-36=45.故选B.
3.(2024·天津滨海高二期末)若数列{an}的通项公式为an=45-3n,则该数列的前n项和取得最大值时,n=
A.13 B.14
C.13或14 D.14或15
√
由an=45-3n=0,得n=15,又a1=42,a2>0,…,a14>0,故n=14,或15时,Sn取得最大值.故选D.
4.在等差数列{an}中,a1=1,其前n项和为Sn,若 =2,则S10等于
A.10 B.100
C.110 D.120
√
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课时测评
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√
1.等差数列{an}的前n项和为Sn,S5=12,S10=48,则S15为
A.84 B.108
C.144 D.156
由等差数列的性质知S5,S10-S5,S15-S10也构成等差数列,所以2(S10-S5)=S5+S15-S10,所以2×(48-12)=12+S15-48,解得S15=108.故选B.
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2.《算法统宗》是中国古代数学名著,由明代数学家程大位编著,它对我国民间普及珠算和数学知识起到了很大的作用.在这部著作中,许多数学问题都是以歌诀形式呈现的,“九儿问甲歌”就是其中一首:一个公公九个儿,若问生年总不知,自长排来差三岁,共年二百又零七,借问长儿多少岁,各儿岁数要详推.在这个问题中,记这位公公的第n个儿子的年龄为an,则a1等于
A.35 B.32
C.23 D.38
由题意可知,九个儿子的年龄成公差d=-3的等差数列,且九项之和为207.故S9=9a1+ d=9a1-108=207,解得a1=35.故选A.
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3.等差数列 的前n项和为Sn,且S2 023>0,S2 024<0,则Sn取得最大值时,n=
A.1 010 B.1 011
C.1 012 D.1 013
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由已知得Sn=a1n+ ,对于A,S6=6a1+15d,S4=4a1+6d,S2=2a1+d,所以2S4-S2=6a1+11d≠S6,故A错误;对于B,3(S4-S2)=6a1+15d=S6,故B正确;对于C,根据片段和的性质即可得到,故C正确;对于D,根据 成等差数列, 故D正确.故选BCD.
√
5.(多选)记Sn为等差数列 的前n项和,则
A.S6=2S4-S2
B.S6=3(S4-S2)
C.S2n,S4n-S2n,S6n-S4n成等差数列
D. 成等差数列
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6.(多选)等差数列{an}是递增数列,满足a7=3a5,前n项和为Sn,下列选项正确的是
A.d>0
B.a1<0
C.当n=5时Sn最小
D.Sn>0时n的最小值为8
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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.所以钢管总数为1+2+3+…+n=
.当n=19时,S19=190,当n=20时,S20=210>200,所以当n=19时,剩余钢管根数最少,为200-190=10(根).
7.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________.
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8.在等差数列{an}中,a1=7,公差为d,前n项和为Sn,当且仅当n=8
时,Sn取得最大值,则公差d的取值范围是_________.
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10.(10分)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(元),
a2=50+(1 000-50)×1%=59.5(元),
…
a10=50+(1 000-9×50)×1%=55.5(元),
即第10个月应付款55.5元.
由题知,20个月贷款还清.
由于{an}是以60为首项,以-0.5为公差的等差数列,
所以有S20= ×20=1 105(元),
即全部付清后实际付款1 105+150=1 255(元).
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11.(2023·新课标Ⅰ卷)记Sn为数列{an}的前n项和,设甲:{an}为等差数列;乙: 为等差数列,则
A.甲是乙的充分条件但不是必要条件
B.甲是乙的必要条件但不是充分条件
C.甲是乙的充要条件
D.甲既不是乙的充分条件也不是乙的必要条件
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12.设Sn为等差数列{an}的前n项和,(n+1)Sn<nSn+1.若 <-1,则
A.Sn的最大值是S8 B.Sn的最小值是S8
C.Sn的最大值是S7 D.Sn的最小值是S7
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13.(多选)已知两个等差数列{an}和{bn}的前n项和分别为An和Bn,且
,则使得 为整数的正整数n可以是
A.1 B.2
C.3 D.6
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14.(10分)已知数列{an}是等差数列,Sn是{an}的前n项和,a8=4,________.
(1)判断2 024是否是数列{an}中的项,并说明理由;(4分)
解:若选①,
设数列{an}的公差为d,
所以an=a1+(n-1)d=-17+(n-1)×3=3n-20.
令3n-20=2 024,得n=681 ∉N*,
所以2 024不是数列{an}中的项.
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设数列{an}的公差为d,
所以an=-10+(n-1)×2=2n-12.
令2n-12=2 024,解得n=1 018∈N*,
所以2 024是数列{an}中的项.
若选②,
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(2)求Sn的最小值.
从①S11=-22,②S5=S6中任选一个,补充在上面的问题中并作答.(6分)
解:令an=3n-20>0,解得n> ,
所以当n≤6时,an<0.
故当n=6时,Sn取到最小值,
为S6=6a1+15d=-57.
令2n-12>0,得n>6,
所以当n≤6时,an≤0.
故当n=6,或n=5时,Sn取到最小值,
为S5=S6=6×(-10)+ ×2=-30.
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15.(5分)(2024·江苏连云港期末)风雨桥(如图
①所示)是侗族最具特色的民间建筑之一.风
雨桥由桥、塔、亭组成.其中亭、塔的俯视
图通常是正方形、正六边形或正八边形.图②是某风雨桥亭的大致俯视图,其中正六边形的边长的计算方法如下:A1B1=A0B0-B0B1,A2B2=A1B1-B1B2,…,AnBn=An-1Bn-1-Bn-1Bn,其中B3B4=B2B3=B1B2=B0B1,n∈N*.已知该风雨桥亭共5层,若A0B0=8 m,B0B1=0.5 m,则图②中的五个正六边形的周长总和为
A.120 m B.210 m
C.130 m D.310 m
√
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由已知得AnBn=An-1Bn-1-Bn-1Bn (n≤4且n∈N*),B3B4=B2B3=B1B2=B0B1=0.5 m,易知图②中五个正六边形的边长(单位:m)构成以a1=8为首项,d=-0.5为公差的等差数列 .设数列 (k∈N*,1≤k≤5)的前5项和为S5,则S5=5a1+ ×5×4×d=5×8- ×5×4×0.5=35,所以图②中的五个正六边形的周长总和为6S5=6×35=210 m.故选B.
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16.(15分)在数列{an}中,an+1+an=2n-44(n∈N*),a1=-23.
(1)求数列{an}的通项公式;(5分)
解:由an+1+an=2n-44(n∈N*),
得an+2+an+1=2(n+1)-44,
所以an+2-an=2.
又a2+a1=2-44=-42,所以a2=-19.
同理可得a3=-21,a4=-17.
由an+2-an=2可得a1,a3,a5,…是以a1为首项,2为公差的等差数列,a2,a4,a6,…是以a2为首项,2为公差的等差数列,
所以an=
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(2)设数列{an}的前n项和为Sn,求Sn的最小值.(10分)
解:当n为偶数时,
Sn=(a1+a2)+(a3+a4)+…+(an-1+an)
=(2×1-44)+(2×3-44)+…+[2×(n-1)-44]
=2[1+3+…+(n-1)]- ×44
= -22n= (n-22)2-242,
故当n=22时,Sn取得最小值-242.
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当n为奇数时,
Sn=a1+(a2+a3)+(a4+a5)+…+(an-1+an)
=a1+(2×2-44)+…+[2×(n-1)-44]
=a1+2[2+4+…+(n-1)]+ ×(-44)
=-23+ -22(n-1)
故当n=21,或n=23时,Sn取得最小值-243.
综上,当n为偶数时,Sn取得最小值-242;当n为奇数时,Sn取得最小值
-243.
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第
四
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数
列
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=,
=,
=·.
(1)已知等差数列{an}的前n项和为Sn,公差为d,若-=100,则d的值为
A.1 B.
C. D.
因为等差数列共有2n+1项,所以由=得,=,解得n=10.
-
n2+n
-,
-
,,
=
$$