1.2.2 第2课时 等差数列的前n项和的性质-【金版新学案】2024-2025学年新教材高二数学选择性必修第二册同步课堂高效讲义教师用书word(北师大版2019)

2024-11-13
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资源信息

学段 高中
学科 数学
教材版本 高中数学北师大版选择性必修 第二册
年级 高二
章节 2.2 等差数列的前n项和
类型 教案-讲义
知识点 -
使用场景 同步教学-新授课
学年 2024-2025
地区(省份) 全国
地区(市) -
地区(区县) -
文件格式 DOCX
文件大小 210 KB
发布时间 2024-11-13
更新时间 2024-11-13
作者 山东正禾大教育科技有限公司
品牌系列 金版新学案·高中同步课堂高效讲义
审核时间 2024-11-13
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来源 学科网

内容正文:

第2课时 等差数列的前n项和的性质 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项和的函数特征求其前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 等差数列的前n项和的性质 问题1.等差数列{an}的前n项和为Sn,试探索Sn,S2n-Sn,S3n-S2n,…的关系. 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. 问题2.在等差数列{an}中,如果项数为2n,那么S偶与S奇之间存在什么样的关系? 提示:因为S奇=a1+a3+a5+…+a2n-1,S偶=a2+a4+a6+…+a2n,所以S偶-S奇=(a2-a1)+(a4-a3)+(a6-a5)+…+(a2n-a2n-1)=nd.又由等差数列的性质知a1+a2n-1=2an,a2+a2n=2an+1,且S奇=,S偶=,所以=(S偶≠0). 问题3. 若等差数列{an}的前n项和为Sn,则是等差数列吗? 提示:由等差数列前n项和公式Sn=na1+d,得=a1+(n-1),所以数列是以a1为首项,以为公差的等差数列. 1.“片段和”性质 等差数列前n项和的性质(m,n∈N+) (1)若数列{an}是公差为d的等差数列,前n项和为Sn,则数列也是等差数列,且公差为. (2)若Sm,S2m,S3m分别为等差数列{an}的前m项、前2m项、前3m项的和,则Sm,S2m-Sm,S3m-S2m也成等差数列,公差为m2d. 2.比值 设两个等差数列{an},{bn}的前n项和分别为Sn,Tn,则=. 3.“奇偶项”性质 (1)若等差数列的项数为2n,则S2n=n(an+an+1),S偶-S奇=nd,=(S奇≠0). (2)若等差数列的项数为2n+1,则S2n+1=(2n+1)an+1(an+1是数列的中间项),S偶-S奇=-an+1,=(S奇≠0). [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 (一题多解)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, 所以 解得 所以S110=110a1+d=110×+×=-110. 法二:设等差数列{an}的前n项和Sn=An2+Bn. 由题设条件可知解得 故S110=-×1102+×110=-110. 法三: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. 法四:由也是等差数列,构造新的等差数列b1==10,b10==, 则d=(b10-b1)=×=-, 所以b11==b10+d=+=-1, 所以S110=-110. 法五:直接利用性质Sn=m,Sm=n,Sm+n=-(m+n),可得S110=-110. 学生用书↓第20页 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,整体代换也是很方便的解题方法. 对点练1.(1)在等差数列{an}中,若S4=1,S8=4,则a17+a18+a19+a20的值为(   ) A.9 B.12 C.16 D.17 (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=________. (3)若等差数列{an}和{bn}的前n项和分别为Sn和Tn,且=,则=________. 答案:(1)A (2)2 024 (3) 解析:(1)由等差数列的性质知S4,S8-S4,S12-S8,…也构成等差数列,不妨设为{bn},且b1=S4=1,b2=S8-S4=3,于是求得b3=5,b4=7,b5=9,即a17+a18+a19+a20=S20-S16=b5=9.故选A. (2)由等差数列的性质可得数列 也为等差数列.设其公差为d,则 - =6d=6,所以d=1.故= +2 023d=-2 022+2 023=1,所以S2 024=1×2 024=2 024. (3)======. 知识点二 等差数列前n项和的函数性质与最值 问题4.根据上节课所学,等差数列的前n项和公式有什么样的函数特点? 提示:由Sn=na1+d,可知Sn=n2+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,通常简记为Sn=An2+Bn(A,B∈R). 等差数列前n项和的函数性质与最值 1.等差数列前n项和公式Sn=na1+d可化成关于n的函数得Sn=n2+n. 2.因为Sn=n2+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;且n取最接近对称轴的自然数时,Sn取到最值. 3.在等差数列{an}中,当a1>0,d<0时,Sn有最大值,使Sn取到最值的n可由不等式组确定;当a1<0,d>0时,Sn有最小值,使Sn取到最值的n可由不等式组确定. [微思考] 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(例如对点练2在n=5或n=6时取最小值),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整数的点处取到最值. 例2 (一题多解)在等差数列{an}中,a1=25,S8=S18,求前n项和Sn的最大值. 解:法一:因为S8=S18,a1=25, 所以8×25+d=18×25+d, 解得d=-2. 所以Sn=25n+×(-2)=-n2+26n=-(n-13)2+169. 所以当n=13时,Sn有最大值为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, 由得 又因为n∈N+, 所以当n=13时,S13=13×25+×(-2)=169,Sn有最大值为169. 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+×(-2)=169, 所以Sn的最大值为169. 法四:设Sn=An2+Bn. 因为S8=S18,a1=25, 所以借助二次函数图象知对称轴为x==13,且开口方向向下, 所以当n=13时,Sn取得最大值. 由题意得解得 所以Sn=-n2+26n, 所以S13=169, 即Sn的最大值为169. [变式探究] (变条件,变设问)本例改为“在等差数列{an}中,已知a1=20,前n项和为Sn,且S10=S16,则当n=________时,Sn取得最大值.” 答案:13 解析:由Sn=An2+Bn为二次函数具有对称性,S10=S16,对称轴为=13,故S13最大. 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. 学生用书↓第21页 2.通项法:当a1>0,d<0,时,Sn取得最大值;当a1<0,d>0,时,Sn取得最小值. [占领思想高点] 注意求等差数列前n项和的最值中渗透函数与方程思想、分类讨论思想. 对点练2.有下列3个条件: ①a3+a8=-2;②S7=-28;③=a2a5.从中任选1个,补充到下面的问题中并解答: 问题:设数列{an}的前n项和为Sn,已知Sn+1=Sn+an+2(n∈N+). (1)求数列{an}的通项公式; (2)求Sn的最小值并指明相应的n的值. 解:(1)因为Sn+1=Sn+an+2,所以an+1-an=2,即{an}是公差为2的等差数列, 选择条件①:因为a3+a8=-2, 所以2a1+9d=-2,则2a1+9×2=-2, 解得a1=-10,所以an=2n-12. 选择条件②:因为S7=-28, 所以7a1+d=-28,解得a1=-10, 所以an=2n-12. 选择条件③:因为=a2a5,即(a1+3d)2=(a1+d)(a1+4d),解得a1=-10, 所以an=2n-12. (2)由(1)可知a1=-10,d=2,所以Sn=-10n+×2=n2-11n=-, 因为n∈N+, 所以当n=5或6时,Sn取到最小值,即(Sn)min=-30. 数列{|an|}的前n项和 例3 (2023·全国乙卷)记Sn为等差数列{an}的前n项和,已知a2=11,S10=40. (1)求{an}的通项公式; (2)求数列{|an|}的前n项和Tn. 解:(1)设等差数列的公差为d, 由题意可得 即解得 所以an=13-2(n-1)=15-2n. (2)因为Sn==14n-n2, 令an=15-2n>0,解得n<,且n∈N*, 当n≤7时,则an>0,可得Tn=|a1|+|a2|+…+|an|=a1+a2+…+an=Sn=14n-n2; 当n≥8时,则an<0,可得Tn=|a1|+|a2|+…+|an|=(a1+a2+…+a7)-(a8+…+an) =S7-(Sn-S7)=2S7-Sn=2×(14×7-72)-(14n-n2)=n2-14n+98; 综上所述,Tn= 数列{|an|}的前n项和的三种类型的求解策略 1.等差数列{an}的各项都为非负数,这种情形中数列{|an|}就等于数列{an},可以直接求解. 2.等差数列{an}中,a1>0,d<0,这种数列只有前边有限项为非负数,从某项开始其余所有项都为负数,可把数列{an}分成两段处理. 3.等差数列{an}中,a1<0,d>0,这种数列只有前边有限项为负数,其余都为非负数,同样可以把数列分成两段处理. [占领思想高点] 在求数列{|an|}的前n项和中注意分类讨论思想的运用. 对点练3.(2024·黑龙江哈尔滨期末)已知数列{an}的前n项和为Sn,若Sn=2n2-19n. (1)求证:数列{an}是等差数列; (2)若bn=|an|,求数列{bn}的前n项和Tn. 解:(1)证明:因为Sn=2n2-19n ①, 所以n≥2时,Sn-1=2(n-1)2-19(n-1)=2n2-23n+21 ②, 由①②相减可得,an=4n-21(n≥2),当n=1时,a1=-17也满足题意, 故{an}的通项公式为an=4n-21. 所以数列{an}是首项为-17,公差为4的等差数列. (2)因为bn=,所以Tn=+++…+, 当an=4n-21<0时,n≤5; 当an=4n-21>0时,n≥6, 由(1)中结论可知,当n≤5时, Tn=-a1-a2-…-an=-Sn=-2n2+19n; 当n≥6时,Tn=-S5+=Sn-2S5=2n2-19n+90, 从而Tn= 知识 1.等差数列前n项和的性质2.等差数列前n项和的最值问题.3.数列{|an|}的前n项和 方法 公式法、构造法、函数法、整体代换法 易错误区 忽视最值问题中n的个数;等差数列前n项和性质应用的前提是等差数列 学生用书↓第22页 1.(2024·全国甲卷文)已知等差数列{an}的前n项和为Sn,若S9=1,则a3+a7=(  ) A.-2 B. C.1 D. 答案:D 解析:设等差数列{an}的公差为d,由S9=9a1+d=9=1,得a1+4d=,则a3+a7=a1+2d+a1+6d=2a1+8d=2(a1+4d)=.故选D. 2.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 答案:B 解析: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. 3.两等差数列{an},{bn}的前n项和分别为Sn,Tn,且=,则=(   ) A. B. C. D. 答案:D 解析:因为{an},{bn}均为等差数列,由等差中项的性质以及求和公式可得====,又因为=,将n=9代入,得===.故选D. 4.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________. 答案:3 解析:由等差数列前n项和的性质,得S偶-S奇=×d(d为该数列的公差),即30-15=5d,解得d=3. 课时测评6 等差数列的前n项和的性质 (时间:40分钟 满分:100分) (本栏目内容,在学生用书中以独立形式分册装订!) (1-9每小题5分,共45分) 1.已知等差数列的前n项和为Sn.若a15+a2 010=1,则S2 024=(   ) A.1 012 B.1 013 C.2 024 D.2 025 答案:A 解析:由等差数列的性质得,S2 024===1 012.故选A. 2.(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 答案:C 解析:因为a3+a7=2a5=6,所以a5=3,所以a5+a12=3+17=20,所以S16==8=160.故选C. 3.已知等差数列{an}的前n项和为Sn,且S2=8,S6=48,则S8=(   ) A.80 B.72 C.68 D.64 答案:A 解析:设{an}的公差为d,则解得则S8=8a1+28d=80.故选A. 4.在等差数列{an}中,Sn是其前n项和,且S2 011=S2 018,Sk=S2 005,则正整数k为(   ) A.2 021 B.2 022 C.2 023 D.2 024 答案:D 解析:因为等差数列的前n项和Sn是关于n的二次函数,所以由二次函数的对称性及S2 011=S2 018,Sk=S2 005,可得=,解得k=2 024.故选D. 5.设等差数列{an}的前n项和为Sn,若a1=-11,a4+a6=-6,则Sn的最小值等于(   ) A.-32 B.-35 C.-36 D.-38 答案:C 解析:设等差数列{an}的公差为d,因为a1=-11,所以a4+a6=2a1+8d=-22+8d=-6,解得d=2.因此Sn=na1+×d=-11n+n(n-1)=n2-12n=(n-6)2-36,故当n=6时,Sn取得最小值-36.故选C. 6.(多选题)设{an}是等差数列,Sn为其前n项和,且S5<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 答案:ABD 解析:因为S5<S6=S7>S8,所以a6>0,a7=0,a8<0.所以d<0.所以S6与S7均为Sn的最大值.S9-S5=a6+a7+a8+a9=2(a7+a8)<0.所以S9<S5,故C错误.故选ABD. 7.若等差数列{an}的前n项和为Sn=An2+Bn,则该数列的公差为________. 答案:2A 解析:数列{an}的前n项和为Sn=An2+Bn,所以当n≥2时,an=Sn-Sn-1=An2+Bn-A(n-1)2-B(n-1)=2An+B-A,当n=1时也满足,所以d=2A. 8.已知Sn,Tn分别是等差数列{an},{bn}的前n项和,且=,则+=________. 答案: 解析:因为b3+b18=b6+b15=b10+b11,所以+=====. 9.已知等差数列{an}的公差d≠0,其前n项和为Sn,若S10=0,则Si(i=1,2,3,…,2 024)中不同的数值有________个. 答案:2 020 解析:已知等差数列{an}的公差d≠0,其前n项和为Sn,Sn是关于n的二次函数,若S10=0,则对称轴为n=5,所以S1=S9,S2=S8,S3=S7,S4=S6,有四组数相同,则Si(i=1,2,3,…,2 024)中不同的数值有2 024-4=2 020个. 10.(10分)设等差数列{an}的前n项和为Sn,a5+a12=3,a7·a10=-18,且Sn有最大值. (1)求数列{an}的通项公式及Sn的最大值;(4分) (2)求Tn=|a1|+|a2|+…+|an|.(6分) 解:(1)设等差数列{an}的公差为d,首项为a1,由Sn有最大值得d<0, 则数列{an}是递减数列, 因为a5+a12=a7+a10=3,a7·a10=-18, 解得a7=6,a10=-3或a7=-3,a10=6(舍去), 则a1+6d=6,a1+9d=-3,解得d=-3,a1=24, 所以an=24+(n-1)×(-3)=-3n+27, 令an=-3n+27=0得n=9, 则当n=9时,an=0;当n>9时,an<0, 所以(Sn)max=S8=S9=9×24+×(-3)=108. (2)由(1)可得Sn=24n+×(-3)=-n2+n, 当n≤9时,Tn=a1+a2+…+an=Sn=-n2+n; 当n>9时,Tn=a1+a2+…+a9-(a10+a11+…+an)=-Sn+2S9 =-+2×108=n2-n+216. 综上可得,Tn=n∈N+. (11-13每小题5分,共15分) 11.(2023·新课标Ⅰ卷)设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 答案:C 解析:法一:甲:为等差数列,设其首项为a1,公差为d,则Sn=na1+d,=a1+d=n+a1-,-=,因此为等差数列,则甲是乙的充分条件;反之,乙:为等差数列,即-==为常数,设为t,即=t,则Sn=nan+1-t·n(n+1),有Sn-1=(n-1)an-t·n(n-1),n≥2,两式相减得an=nan+1-(n-1)an-2tn,即an+1-an=2t,对n=1也成立,因此为等差数列,则甲是乙的必要条件,所以甲是乙的充要条件.C正确.故选C. 法二:甲:{an}为等差数列,设数列{an}的首项为a1,公差为d,即Sn=na1+d,则=a1+d=n+a1-,因此为等差数列,即甲是乙的充分条件;反之,乙:为等差数列,即-=D,=S1+(n-1)D,即Sn=nS1+n(n-1)D,Sn-1=(n-1)S1+(n-1)(n-2)D,当n≥2时,上两式相减得:Sn-Sn-1=S1+2(n-1)D,即an=a1+2(n-1)D,当n=1时,上式成立,于是an=a1+2(n-1)D,又an+1-an=a1+2nD-[a1+2(n-1)D]=2D为常数,因此{an}为等差数列,则甲是乙的必要条件,所以甲是乙的充要条件.故选C. 12.(多选题)数列{an}是递增的等差数列,前n项和为Sn,满足a2=4a5,则下列选项正确的是(   ) A.a1<0 B.a6<0 C.S2=S9 D.Sn>0时,n的最小值为11 答案:AC 解析:设等差数列{an}的公差为d,则d>0,因为a2=4a5,则a1+d=4,可得a1=-5d<0,故A正确;a6=a1+5d=0,故B错误;S9-S2=a3+a4+…+a9==7a6=0,则S2=S9,故C正确;Sn=na1+=-5dn+=>0,因为n∈N+,所以n≥12,即当Sn>0时,n的最小值为12,故D错误.故选AC. 13.已知数列{an}中,a1=1,a2=2,对任意正整数n,an+2-an=2+cos nπ,Sn为{an}的前n项和,则S100=________. 答案:5 050 解析:当n为奇数时,an+2-an=1,即数列{an}的奇数项是以1为首项,1为公差的等差数列;当n为偶数时,an+2-an=3,即数列{an}的偶数项是以2为首项,3为公差的等差数列,所以S100=(a1+a3+…+a99)+(a2+a4+…+a100)=+=5 050. 14.(10分)已知Sn为等差数列{an}的前n项和,且a1=-15,S5=-55. (1)求数列{an}的通项公式;(4分) (2)若不等式Sn>t对于任意的n∈N+恒成立,求实数t的取值范围.(6分) 解:(1)设等差数列{an}的公差为d, S5=5·=5a3=-55, 所以a3=-11, 所以d===2. 所以an=a1+(n-1)d=-15+(n-1)×2=2n-17,n∈N+. (2)由(1)知,an=2n-17, 所以Sn===n(n-16)=(n-8)2-64, 所以(Sn)min=-64. Sn>t对任意n∈N+恒成立等价于(Sn)min>t, 即-64>t.所以t∈(-∞,-64). 15.(5分)(多选题)(2024·山东青岛高二期中)已知数列{an} 的前n项和为Sn,下列说法正确的是(   ) A.若Sn=2n2-6n+1,则an=4n-4 B.若an=4n-25,则Sn的最小值为-66 C.若an=4n-3,则数列{(-1)nan}的前17项和为-33 D.若数列{an}为等差数列,且a1 012+a1 013<0,a1 001+a1 025>0,则当Sn<0时,n的最大值为2 025 答案:BC 解析:对于A,由Sn=2n2-6n+1,当n=1时,a1=S1=-3,由an=4n-4,当n=1时,a1=0,故A不正确;对于B,若an=4n-25,当n=1时,a1=-21,且a6<0,a7>0,所以当n=6时,Sn取得最小值为S6==3×=-66,故B正确;对于C,若an=4n-3,设数列{(-1)nan}的前n项和为Tn,所以T17=-a1+a2-a3+a4-…+a16-a17=++…+(-57+61)-65=4×8-65=-33,故C正确;对于D,数列{an}为等差数列,且a1 012+a1 013<0,a1 001+a1 025>0,则a1 012+a1 013=a1+a2 024<0,a1 001+a1 025=a1+a2 025>0,所以S2 024=<0,S2 025=>0,当Sn<0时,n的最大值为2 024,故D不正确.故选BC. 16.(15分)在等差数列{an}中,a3+a4=4,a5+a7=6. (1)求{an}的通项公式;(6分) (2)设bn=[an],求数列{bn}的前10项和,其中[x]表示不超过x的最大整数,如[0.9]=0,[2.6]=2.(9分) 解:(1)设数列{an}的首项为a1,公差为d, 由题意得解得 所以{an}的通项公式为an=(n∈N+). (2)由(1)知bn=. 当n=1,2,3时,1≤<2,bn=1; 当n=4,5时,2≤<3,bn=2; 当n=6,7,8时,3≤<4,bn=3; 当n=9,10时,4≤<5,bn=4. 所以数列{bn}的前10项和为1×3+2×2+3×3+4×2=24. 学科网(北京)股份有限公司 $$

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