内容正文:
数学 选择性必修 第二册[RJ]
第2课时 等差数列前n项和的性质及应用
(教师独具内容)
课程标准:1.掌握等差数列前n项和的性质,并能够运用其来解决问题.2.体会等差数列前n项和公式与二次函数的联系,并能够运用二次函数的知识解决数列问题.
教学重点:等差数列前n项和的性质及其应用.
教学难点:运用二次函数的知识解决数列问题.
核心素养:1.在探索等差数列前n项和性质的过程中,发展数学运算素养和逻辑推理素养.2.通过利用等差数列的前n项和公式解决实际问题,提升数学建模素养和数学运算素养.
知识点 等差数列前n项和的性质
1.若数列{an}的前n项和公式为Sn=An2+Bn+C,那么数列{an}为等差数列时应满足条件C=0.
[说明] 一般地,对于等差数列{an},如果首项a1,公差d是确定的,前n项和Sn=na1+d=n2+n,设A=,B=a1-,上式可写成Sn=An2+Bn.当A≠0(即d≠0)时,Sn是关于n的二次函数,那么(n,Sn)在二次函数y=Ax2+Bx的图象上.
2.以等差数列前n项的项数为横坐标,前n项和为纵坐标的图象为抛物线上的一系列的孤立的点.
3.等差数列{an}的公差为d,前n项和为Sn,那么数列Sm,S2m-Sm,S3m-S2m,…(m∈N*)是等差数列,其公差等于m2d.
4.在等差数列{an}中,若a1>0,d<0,则Sn存在最大值;若a1<0,d>0,则Sn存在最小值.
5.(1)等差数列的项数若为2n(n∈N*)项,则S2n=n(a1+a2n)且S偶-S奇=nd,=.
(2)等差数列的项数若为2n+1(n∈N*)项,则S2n+1=(2n+1)an+1且S奇-S偶=an+1,=.
(3)若两个等差数列{an},{bn}的前n项和分别为Sn,Tn,则=.
(4)数列{an}为等差数列⇔Sn=An2+Bn(A,B为常数)⇔数列为等差数列.
1.(等差数列前n项和的性质)设等差数列{an}的前n项和为Sn,若S4=8,S8=20,则a13+a14+a15+a16=( )
A.12 B.4
C.16 D.20
答案:D
2.(等差数列奇偶项和的性质)已知某等差数列共有101项,各项之和为202,则奇数项之和S奇=________,偶数项之和S偶=________.
答案:102 100
3.(等差数列前n项和的最值)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取最大值,则d的取值范围为________.
答案:
4.(等差数列前n项和在实际中的应用)一个堆放铅笔的V形架的最下面一层放1支铅笔,往上每一层都比它下面一层多放1支,最上面一层放了120支,则这个V形架上共放了________支铅笔.
答案:7260
题型一 等差数列前n项和性质的应用
(1)等差数列{an}中,前m项和为30,前2m项和为100,试求前3m项和.
[解] 解法一:利用等差数列{an}前n项和公式Sn=na1+d.
由已知得
解得a1=,d=,
所以S3m=3ma1+d=210.
解法二:记数列{an}的前n项和为Sn,由等差数列前n项和的性质知Sm,S2m-Sm,S3m-S2m成等差数列,
则2(S2m-Sm)=Sm+(S3m-S2m),
又Sm=30,S2m=100,所以S2m-Sm=100-30=70,
所以S3m-S2m=2(S2m-Sm)-Sm=110,
所以S3m=110+100=210.
(2)已知等差数列{an},{bn}的前n项和分别为Sn,Tn且=,求的值.
[解] 解法一:===.
解法二:可设Sn=(7n+2)nt,Tn=(n+3)nt(t≠0).
则a5=S5-S4=65t,b5=T5-T4=12t.
故==.
感悟提升 等差数列前n项和运算的几种思维方法
(1)整体思路法:利用公式Sn=,设法求出整体a1+an,再代入求解.
(2)待定系数法:利用当公差d≠0时Sn是关于n的二次函数,设Sn=An2+Bn(A≠0),列出方程组求出A,B即可,或利用是关于n的一次函数,设=an+b(a≠0)进行计算.
(3)利用Sn,S2n-Sn,S3n-S2n成等差数列进行求解.
[跟踪训练1] (1)(2024·河北唐山高二期末)设Sn是等差数列{an}的前n项和,若S3=27,S6=81,则S12=( )
A.270 B.108
C.162 D.150
答案:A
解析:∵S3,S6-S3,S9-S6,S12-S9成等差数列,且该数列的公差d=S6-S3-S3=27,∴S9-S6=S3+2d=81,S12-S9=S3+3d=108,∴S9=162,S12=270.
(2)若两个等差数列{an}和{bn}的前n项和An和Bn满足关系式=(n∈N*),求.
解:解法一:∵==
==,
∴===(n∈N*).
解法二:∵等差数列的前n项和Sn=na1+d=+n,=,
∴设An=k(7n2+n),Bn=k(4n2+27n),k≠0.
当n≥2时,an=An-An-1=7kn2+kn-7k(n-1)2-k(n-1)=k(14n-6),
bn=Bn-Bn-1=k(4n2+27n)-k[4(n-1)2+27(n-1)]=k(8n+23).
∴=,当n=1时,也成立.
∴=(n∈N*).
(3)(2024·湖北新高考协作体高二联考)已知等差数列{an}与{bn}的前n项和分别为Sn,Tn,且=,求的值.
解:∵{an},{bn}为等差数列,且=,
∴设Sn=kn(2n+3),Tn=kn(n+1),k≠0,
则a5=S5-S4=65k-44k=21k,b10=T10-T9=10k×11-9k×10=20k,
∴=.
题型二 等差数列前n项和的最值问题
等差数列{an}中,a1=25,S17=S9,则数列{an}的前几项和最大?并求出最大值.
[解] 由题意,可知a1=25,S17=S9,
则17a1+d=9a1+d,d=-2.
解法一:Sn=25n+×(-2)=-(n-13)2+169.
故数列的前13项和最大,最大值是169.
解法二:Sn=n2+n(d<0),
Sn的图象是开口向下的抛物线上一群离散的点,最高点的横坐标为,即S13最大.如图所示,最大值为S13=13×25+×(-2)=169.
解法三:∵S17=S9,∴a10+a11+…+a17=0.
∴a10+a17=a11+a16=…=a13+a14=0.
∵a1=25>0,∴a13>0,a14<0.
∴S13最大,最大值为S13=13×25+×(-2)=169.
解法四:∵a1=25>0,
由得
∴当n=13时,Sn取最大值,最大值为S13=13×25+×(-2)=169.
本例中将“a1=25”改为“a1<0”,其他条件不变,则n为何值时,Sn最小?
解:∵S17=S9,∴a10+a11+…+a17=0,
∴a10+a17=a11+a16=…=a13+a14=0.
∵a1<0,∴a13<0,a14>0,
∴S13最小,∴当n=13时,Sn最小.
感悟提升 求解等差数列前n项和最值问题的常用方法
(1)二次函数法,即先求得Sn的表达式,然后配方.若对称轴恰好为正整数,则就在该处取得最值;若对称轴不是正整数,则应在离对称轴最近的正整数处取得最值,有时n的值有两个,有时为一个.
(2)不等式法
①当a1>0,d<0时,数列{an}只有前几项为正数,Sn有最大值,无最小值.若an>0,an+1<0,则Sn为最大值;若an+1=0,则Sn与Sn+1相等,均为最大值;
②当a1<0,d>0时,数列{an}只有前几项为负数,Sn有最小值,无最大值.若an<0,an+1>0,则Sn为最小值;若an+1=0,则Sn与Sn+1相等,均为最小值.
(3)寻求正、负项交替点法,即利用等差数列的性质,找到数列中正数项与负数项交替变换的位置,其实质仍然是找到数列中最后的一个非正数项(或非负数项),然后确定Sn的最值.
[跟踪训练2] 设等差数列{an}的前n项和为Sn,已知a3=12,且S12>0,S13<0.
(1)求公差d的取值范围;
(2)数列{an}的前几项和最大?并说明理由.
解:(1)∵a3=12,∴a1=12-2d,
∵S12>0,S13<0,
∴即
∴-<d<-3.
(2)∵S12>0,S13<0,
∴∴
∴a6>0,又由(1)知d<0.
∴数列{an}的前6项为正,从第7项起为负.
∴数列{an}的前6项和最大.
题型三 等差数列的奇(偶)项和问题
一个等差数列的项数为偶数,奇数项之和与偶数项之和分别为24和30,最后一项与第一项之差为10.5,求此数列的首项、公差、项数.
[解] 解法一:设此数列的首项为a1,公差为d,项数为2k(k∈N*).
根据题意,得
即
∴
解得a1=,d=,k=4,
∴此数列的首项为,公差为,项数为8.
解法二:设此数列的首项为a1,公差为d,项数为2k(k∈N*).
根据题意,得∴
∴∴
代入S奇=(a1+a2k-1)=24,可得a1=.
∴此数列的首项为,公差为,项数为8.
感悟提升 等差数列的奇(偶)项和的性质
设S奇,S偶分别是等差数列{an}的所有奇数项和、偶数项和.
(1)当等差数列{an}的项数为2n(n∈N*)时,则有
①S2n=n(an+an+1);
②S偶-S奇=nd,=(an≠0).
(2)当等差数列{an}的项数为2n-1(n≥2,且n∈N*)时,则S2n-1=(2n-1)an(an是数列的中间项),S奇-S偶=an,=.
[跟踪训练3] (1)一个等差数列共2025项,求它的奇数项和与偶数项和之比.
解:等差数列{an}共有1013个奇数项,1012个偶数项,
∴S奇=,S偶=.
∵a1+a2025=a2+a2024,∴=.
(2)一个等差数列前20项和为75,其中奇数项和与偶数项和之比为1∶2,求公差d.
解:前20项中,奇数项和S奇=×75=25,
偶数项和S偶=×75=50,
又S偶-S奇=10d,∴d==2.5.
题型四 等差数列前n项和在实际中的应用
某人用分期付款的方式购买一件家电,价格为1150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个月应交付多少钱?付清全部贷款后,买这件家电实际花费多少钱?
[解] 由于购买当天先付150元,则欠款1000元,依题意知应分20次付款,故设每次付款数额依次为a1,a2,…,a20,则
a1=50+1000×1%=60(元),
a2=50+(1000-50)×1%=59.5(元),
…
a10=50+(1000-9×50)×1%=55.5(元).
即第10个月应付款55.5元.
由于{an}是以60为首项,-0.5为公差的等差数列,所以有S20=×20=1105(元),
即付清全部贷款后,买这件家电实际花费1105+150=1255(元).
感悟提升 应用等差数列解决实际问题的一般思路
[跟踪训练4] (2024·湖北武汉高二期中)湖北新冶钢有限公司(简称为“新冶钢”)是中国现存最早的钢铁企业之一,素有中国“钢铁工业的摇篮”之称.该公司今年年初用192万元购进一台机器投入生产,每年可以给公司带来69万元的收入,但该台机器每年需要进行维护,第一年需要维护费用12万元,从第二年起每年的维护费用比上一年增加6万元,求购买该台机器若干年后的年平均利润的最大值.
解:由题意可知,各年的维护费用(单位:万元)构成以12为首项,6为公差的等差数列.
设购买该台机器n年后的盈利为S万元,则S=69n-192-=-3n2+60n-192.
令S>0,则n2-20n+64<0,解得4<n<16.
设购买该台机器n年后的年平均利润为y万元,则y==-3+60≤-3×2+60=12,当且仅当n=8时取等号,
因此,购买该台机器8年后的年平均利润最大,最大年平均利润是12万元.
1.(2024·天津和平区高二期末)已知等差数列{an}的前n项和为Sn,且S10=12,S20=17,则S30=( )
A.30 B.25
C.20 D.15
答案:D
解析:因为Sn是等差数列{an}的前n项和,所以S10,S20-S10,S30-S20成等差数列,所以S10+(S30-S20)=2(S20-S10),所以12+(S30-17)=2×(17-12),解得S30=15.
2.已知等差数列{an}共有2n+1项,其中奇数项之和为290,偶数项之和为261,则an+1的值为( )
A.30 B.29
C.28 D.27
答案:B
解析:奇数项共有n+1项,其和为·(n+1)=·(n+1)=290,∴(n+1)·an+1=290.偶数项共有n项,其和为·n=·n=nan+1=261,∴an+1=290-261=29.故选B.
3.(多选)(2024·辽宁月考)已知等差数列{an}的前n项和为Sn,公差为d,且S32>S30>S31,则下列说法正确的是( )
A.a31<0
B.d<0
C.当n=31时,Sn取得最小值
D.使Sn<0成立的n的最大值为62
答案:AC
解析:由题意可知a31=S31-S30<0,故A正确;又a32=S32-S31>0,所以d=a32-a31>0,故B不正确;因为a31<0,a32>0,所以当n=31时,Sn取得最小值,故C正确;因为S32-S30=a31+a32>0,所以S61==61a31<0,S62==31(a31+a32)>0,所以使Sn<0成立的n的最大值为61,故D不正确.故选AC.
4.《孙子算经》是我国古代的数学名著,书中有如下问题:“今有五等诸侯,共分橘子六十颗,人别加三颗.问:五人各得几何?”其意思为:“有5个人分60个橘子,他们分得的橘子数成公差为3的等差数列,问5人各得多少橘子?”这个问题中,得到橘子最多的人所得的橘子个数是________.
答案:18
解析:设得到橘子最少的人分到的橘子个数为a1,由题意,得S5=5a1+×3=60,解得a1=6.则a5=a1+(5-1)×3=6+12=18,所以得到橘子最多的人所得的橘子个数是18.
5.已知Sn为等差数列{an}的前n项和,且a1=-15,S5=-55,则an=________,若不等式Sn>t对任意的n∈N*恒成立,则实数t的取值范围为________.
答案:2n-17 (-∞,-64)
解析:设等差数列{an}的公差为d,∵S5=5×=5a3=-55,∴a3=-11,∴d===2.∴an=a1+(n-1)d=-15+(n-1)×2=2n-17.∴Sn===n(n-16)=(n-8)2-64,∴(Sn)min=-64.Sn>t对任意n∈N*恒成立等价于(Sn)min>t,即-64>t,即实数t的取值范围为(-∞,-64).
课后课时精练
基础题(占比50%) 中档题(占比40%) 拔高题(占比10%)
题号
1
2
3
4
5
6
难度
★
★
★
★★
★★
★
对点
等差数列中Sm,S2m-Sm,S3m-S2m成等差数列的应用
等差数列前n项和的最小值问题
等差数列前n项和的实际应用(数学文化问题)
等差数列中与的关系(整除问题)
等差数列前n项和的正负、前n项和的最值
求数列中的项
题号
7
8
9
10
11
12
难度
★
★★
★
★★
★★
★★★
对点
等差数列的奇(偶)项和问题
等差数列前n项和的实际应用(植树问题)
求等差数列前n项和的最值(结构不良类型)
等差数列前n项和的实际应用(工程问题)
等差数列的证明;数列前n项和的最小值问题
等差数列前n项和的实际应用(销售问题)
一、选择题
1.设Sn是等差数列{an}的前n项和,若=,则=( )
A. B.
C. D.
答案:A
解析:由等差数列的前n项和的性质,可知S4,S8-S4,S12-S8,S16-S12仍成等差数列.设S4=k(k≠0),则S8=3k,∴S8-S4=2k,∴S12-S8=3k,S16-S12=4k,∴S12=S8+3k=6k,∴S16=S12+4k=10k,∴==.
2.设等差数列{an}的前n项和为Sn,若a1=-11,a4+a6=-6,则当Sn取最小值时,n=( )
A.6 B.7
C.8 D.9
答案:A
解析:∵{an}是等差数列,∴a4+a6=2a5=-6,即a5=-3,则d===2,∴{an}是首项为负数的递增数列,所有的非正项之和最小.∵a6=-1,a7=1,∴当n=6时,Sn取得最小值.
3.我国古代数学典籍《四元玉鉴》中有如下一段话:“河有汛,预差夫一千八百八十人筑堤,只云初日差六十五人,次日转多七人,今有三日连差三百人,问已差人几天,差人几何?”其大意为“官府陆续派遣1880人前往修筑堤坝,第一天派出65人,从第二天开始每天派出的人数比前一天多7人.已知最后三天一共派出了300人,则目前一共派出了多少天,派出了多少人?”( )
A.6天,495人 B.7天,602人
C.8天,716人 D.9天,795人
答案:B
解析:设第n天派出的人数为an,则{an}是以65为首项,7为公差的等差数列,且a1+a2+a3=216,an-2+an-1+an=300,∴a1+an==172,an=107,∴n=+1=7,则目前派出的人数为S7==602.故选B.
4.已知等差数列{an}和等差数列{bn}的前n项和分别为Sn,Tn,且(n+1)Sn=(7n+23)Tn,则使为整数的正整数n的个数是( )
A.2 B.3
C.4 D.5
答案:C
解析:由题意,可得=,则======7+,经验证,知当n=1,2,4,8时,为整数,即使为整数的正整数n的个数是4.故选C.
5.(多选)(2024·山东青岛高二期末)设等差数列{an}的前n项和为Sn,a1>0,公差为d,a8+a9>0,a9<0,则( )
A.d<0
B.当n=8时,Sn取得最大值
C.a4+a5+a18<0
D.使得Sn>0成立的最大自然数n是15
答案:ABC
解析:因为a8+a9>0,a9<0,所以a8>0,则d<0,当n=8时,Sn取得最大值,a4+a5+a18=3a1+24d=3a9<0,因为S15=15a8>0,S16=8(a8+a9)>0,S17=17a9<0,所以使得Sn>0成立的最大自然数n是16.故选ABC.
二、填空题
6.(2024·河北衡水一中高二阶段测试)已知Sn是等差数列{an}的前n项和,若a1=-2,-=2,则=________.
答案:2024
解析:∵Sn是等差数列{an}的前n项和,∴是等差数列,设其公差为d.∵-=2,∴2d=2,d=1,∵a1=-2,∴=-2,∴=-2+(n-1)×1=n-3,∴=2027-3=2024.
7.在等差数列{an}中,奇数项之和为44,偶数项之和为33,若此数列的项数为奇数,则此数列的中间项是第________项;若此数列的项数为偶数,且公差为-,则此数列的项数为________.
答案:4 44
解析:若此数列的项数为奇数,设项数为2n-1,则奇数项之和S奇=a1+a3+…+a2n-1==nan,偶数项之和S偶=a2+a4+a6+…+a2n-2==(n-1)an,所以==,解得n=4,所以第4项是此数列的中间项.若此数列的项数为偶数,设项数为2n,则S偶-S奇=nd,所以-11=-n,所以n=22,故此数列的项数为44.
8.植树节某班20名同学在一段直线公路一侧植树,每人植树一棵,相邻两棵树相距10米,开始时需将树苗集中放置在某一个树坑旁边,使每位同学从各自树坑出发前来领取树苗往返所走的路程总和最小,此最小值为________米.
答案:2000
解析:假设开始时将树苗集中放置在第n个树坑旁边(其中1≤n≤20且n∈N*),则20名同学往返所走的路程总和为S=20+40+…+20(n-1)+20+40+…+20(20-n)=20[1+2+…+(n-1)+1+…+(20-n)]=20×=20(n2-21n+210)=20,因为n∈N*且1≤n≤20,所以当n=10或11时,S取最小值,且最小值为2000米.
三、解答题
9.在①a5=6,a1+S3=50;②S12>S9,a2+a21<0;③S9>0,S10<0这三个条件中任选一个,补充在下面问题中并解答.
问题:设等差数列{an}的前n项和为Sn,若________,判断Sn是否存在最大值?若存在,求出Sn取最大值时n的值;若不存在,说明理由.
注:如果选择多个条件分别解答,按第一个解答计分.
解:选①:设数列{an}的公差为d,
∵a5=6,a1+S3=50,∴
解得a1=14,d=-2,∴an=14-2(n-1)=16-2n,
解法一:当an≥0时,有16-2n≥0,得n≤8,
∴当n≤7时,an>0;当n=8时,an=0;当n≥9时,an<0,
∴n=7或n=8时,Sn取最大值.
解法二:Sn=-n2+15n=-+,
∴n=7或n=8时,Sn取最大值.
选②:由S12-S9>0,得a12+a11+a10>0,由等差中项的性质有3a11>0,即a11>0,
由a2+a21<0,得a2+a21=a11+a12<0,
∴a12<0,故d=a12-a11<0,
∴当n≤11时,an>0,当n≥12时,an<0,故n=11时,Sn取最大值.
选③:由S9>0,得S9==>0,可得a5>0,
由S10<0,得S10==<0,可得a5+a6<0,
∴a6<0,故d=a6-a5<0,
∴当n≤5时,an>0,当n≥6时,an<0,故n=5时,Sn取最大值.
10.(2024·湖南长沙高二阶段测试)某抗洪指挥部接到预报,24小时后有一洪峰到达,为确保安全,指挥部决定在洪峰到来之前临时筑一道堤坝作为第二道防线.经计算,除现有的参战军民连续奋战外,还需调用20台同型号翻斗车,平均每辆车工作24小时.从各地紧急抽调的同型号翻斗车目前只有一辆投入使用,每隔20分钟能有一辆翻斗车到达,一共可调集25辆,那么在24小时内能否构筑成第二道防线?
解:从第一辆车投入工作算起各车工作时间(单位:小时)依次设为a1,a2,…,a25.
由题意可知,此数列为等差数列,且a1=24,公差d=-.
25辆翻斗车工作的时间为a1+a2+…+a25=25×24+=500,总共需要工作的时间为24×20=480.
∵500>480,
∴在24小时内能构筑成第二道防线.
11.(2024·山东菏泽高二期末)已知数列{an}的首项为a1,前n项和为Sn,且2Sn=(a1+an)n.
(1)求证:数列{an}为等差数列;
(2)若数列{an}的公差为,an>0,++…+=,当取最小值时,求n的值.
解:(1)证明:当n≥2时,由题意,得2Sn=(a1+an)n,2Sn-1=(a1+an-1)(n-1),
两式相减,得(n-2)an=(n-1)an-1-a1,
递推,得(n-1)an+1=nan-a1,
两式相减,得(n-1)an+1+(n-1)an-1=2(n-1)an,
所以an+1-an=an-an-1,
所以an-an-1=an-1-an-2=…=a2-a1,
即数列{an}为等差数列.
(2)因为数列{an}的公差为,
所以=3,
故++…+
=3
=3=3
=3=,
整理,得a+3a1-18=0,
解得a1=3或a1=-6(舍去),
即Sn=3n+×=,
则==,
由对勾函数的性质可知,当n≤7时,数列递减,当n≥8时,数列递增,
当n=7时,=,当n=8时,=,
由于>,故当取最小值时,n=8.
12.7月份,有一新款服装投入某市场.7月1日该款服装仅售出3件,以后每天售出的该款服装都比前一天多3件,当日销售量达到最大(只有1天)后,每天售出的该款服装都比前一天少2件,且7月31日当天刚好售出3件.
(1)问7月几日该款服装销售最多?最多售出几件?
(2)按规律,当该市场销售此服装达到200件时,社会上就开始流行,而日销售量连续下降并低于20件时,则不再流行.问该款服装在社会上流行几天?
解:(1)设7月n日售出的服装件数为an(n∈N*,1≤n≤31),最多售出ak件.
由题意知解得
∴7月13日该款服装销售最多,最多售出39件.
(2)设Sn是数列{an}的前n项和,
∵an=
∴Sn=
∵S13=273>200,
∴当1≤n≤13时,由Sn>200,得12≤n≤13,
当14≤n≤31时,日销售量连续下降,
由an<20,得23≤n≤31,
∴该款服装在社会上流行11天(从7月12日到7月22日).
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