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.
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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.
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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
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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.
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