内容正文:
第2课时
等比数列前n项和
的性质及应用
第四章 4.3.2 等比数列的前n项和公式
1.熟练应用等比数列前n项和公式的性质解题.
2.能在具体的问题情境中,发现数列的等比关系,并解决相应的问题.
学习目标
导语
同学们,前面我们就用等差数列的性质,类比出了等比数列的性质,由此还得出了“类比能使人智慧”这一重要结论,今天我们再进一步增长同学们的智慧,继续通过类比,看我们能得出等比数列前n项和的哪些性质.
一、等比数列前n项和公式的性质
二、等比数列前n项和公式的实际应用
课时对点练
三、等比数列前n项和公式的综合应用
随堂演练
内容索引
等比数列前n项和公式的性质
一
问题1 类比等差数列前n项和性质中的奇数项、偶数项的问题,等比数列是否也有相似的性质?
提示 若等比数列{an}的项数有2n项,则
其偶数项和为S偶=a2+a4+…+a2n,
其奇数项和为S奇=a1+a3+…+a2n-1,容易发现两列式子中对应项之间存在联系,即S偶=a1q+a3q+…+a2n-1q=qS奇,所以有 =q.
若等比数列{an}的项数有2n+1项,则其偶数项和为S偶=a2+a4+…+a2n,其奇数项和为S奇=a1+a3+…+a2n-1+a2n+1,从项数上来看,奇数项比偶数项多了一项,于是我们有S奇-a1=a3+…+a2n-1+a2n+1=a2q+a4q+…+a2nq=qS偶,即S奇=a1+qS偶.
问题2 你能否用等比数列{an}中的Sm,Sn来表示Sm+n?
提示 思路一:Sm+n=a1+a2+…+am+am+1+am+2+…+am+n=Sm+a1qm+a2qm+…+anqm=Sm+qmSn.
思路二:Sm+n=a1+a2+…+an+an+1+an+2+…+an+m=Sn+a1qn+a2qn+…+amqn
=Sn+qnSm.
问题3 类似于等差数列中的片段和的性质,在等比数列中,你能发现Sn,S2n-Sn,S3n-S2n…(n为偶数且q=-1除外)的关系吗?
提示 Sn,S2n-Sn,S3n-S2n…仍成等比数列,证明如下:
思路一:当q=1时,结论显然成立;
所以Sn,S2n-Sn,S3n-S2n成等比数列.
思路二:由性质Sm+n=Sm+qmSn可知S2n=Sn+qnSn,故有S2n-Sn=qnSn,
S3n=S2n+q2nSn,故有S3n-S2n=q2nSn,故有(S2n-Sn)2=Sn(S3n-S2n),
所以Sn,S2n-Sn,S3n-S2n成等比数列.
1.若{an}是公比为q的等比数列,S偶,S奇分别是数列的偶数项和与奇数项和,则:
知识梳理
11
2.若{an}是公比为q的等比数列,则Sn+m=Sn+ (n,m∈N*).
3.数列{an}为公比不为-1的等比数列(或公比为-1,且n不是偶数),Sn为其前n项和,则Sn,S2n-Sn, 仍构成等比数列.
注意点:等比数列片段和性质的成立是有条件的,即Sn≠0.
qnSm
S3n-S2n
知识梳理
12
例1 (1)已知等比数列{an}共有2n项,其和为-240,且(a1+a3+…+a2n-1)-(a2+a4+…+a2n)=80,则公比q=_____.
2
由题意知S奇+S偶=-240,S奇-S偶=80,
∴S奇=-80,S偶=-160,
13
(2)若等比数列{an}共有奇数项,其首项为1,其偶数项和为170,奇数项和为341,则这个数列的公比为______,项数为______.
2
9
由性质S奇=a1+qS偶可知341=1+170q,所以q=2,设这个数列共有2n+1项,则S2n+1= =341+170=511,解得n=4,即这个等比数列的项数为9.
14
例2 在等比数列{an}中,已知Sn=48,S2n=60,求S3n.
15
方法一 ∵S2n≠2Sn,∴q≠1,
②
①
16
方法二 ∵{an}为等比数列,显然公比不等于-1,
∴Sn,S2n-Sn,S3n-S2n也成等比数列,
∴(S2n-Sn)2=Sn(S3n-S2n),
方法三 由性质Sm+n=Sm+qmSn可知S2n=Sn+qnSn,即60=48+48qn,
17
处理等比数列前n项和有关问题的常用方法
(1)若等比数列{an}共有2n项,要抓住 =q和S偶+S奇=S2n这一隐含特点;
若等比数列{an}共有2n+1项,要抓住S奇=a1+qS偶和S偶+S奇=S2n+1这一隐含特点.要注意公比q=1和q≠1两种情形,在解有关的方程(组)时,通常用约分或两式相除的方法进行消元.
(2)灵活运用等比数列前n项和的有关性质.
反思感悟
18
跟踪训练1 (1)已知等比数列{an}的公比q= ,且a1+a3+a5+…+a99=90,则a1+a2+a3+…+a100=______.
120
所以a1+a2+a3+…+a100=(a1+a3+a5+…+a99)+(a2+a4+a6+…
+a100)=(a1+a3+a5+…+a99)+ (a1+a3+a5+…+a99)
=90+ ×90=120.
19
(2)记等比数列{an}的前n项和为Sn,若S4=3,S8=9,则S12等于
A.12 B.18 C.21 D.27
方法一 因为Sn为等比数列{an}的前n项和,且S4=3,S8=9,易知等比数列{an}的公比q≠-1,所以S4,S8-S4,S12-S8成等比数列,所以(S8-S4)2=S4(S12-S8),所以62=3(S12-9),解得S12=21.
方法二 由方法一知,S4,S8-S4,S12-S8成等比数列,即3,6,12成等比数列,S12-S8=12,所以S12=S8+12=9+12=21.
√
20
等比数列前n项和公式的实际应用
二
例3 《算法统宗》是中国古代数学名著,程大位著,共17卷,书中有这样一个问题:“三百七十八里关,初行健步不为难,次日脚痛减一半,六朝才得到其关,要见次日行里数,请公仔细算相还.”大致意思是:有一个人要到距离出发地378里的地方,第一天健步行走,从第二天起因脚痛每天走的路程为前一天的一半,走了6天后到达目的地.那么该人第1天所走路程里数为
A.96 B.126 C.192 D.252
√
22
由题意得,该人每天走的路程形成以a1为首项,以 为公比的等比数列,
解得a1=192,
所以该人第1天所走路程里数为192.
23
(1)解应用问题的核心是建立数学模型.
(2)一般步骤:审题、抓住数量关系、建立数学模型.
(3)注意问题是求什么(n,an,Sn).
反思感悟
24
跟踪训练2 中国三大名楼之一的黄鹤楼因其独特的建筑结构而闻名,其外观有五层而实际上内部有九层,隐喻“九五至尊”之意,现打算在黄鹤楼内部挂灯笼进行装饰,若在黄鹤楼内部九层塔楼共挂1 533盏灯笼,且相邻的两层中,下一层的灯笼数是上一层灯笼数的两倍,则内部塔楼的顶层应挂_____盏灯笼.
3
依题意,各层灯笼数从上到下排成一列构成等比数列{an}(n∈N*,n≤9),公比q=2,前9项和为1 533,于是得S9= =1 533,解得a1=3,所以内部塔楼的顶层应挂3盏灯笼.
25
等比数列前n项和公式的综合应用
三
例4 螺旋线这个名词来源于希腊文,它的原意是“旋卷”或“缠卷”,平面螺旋便是以一个固定点开始向外逐圈旋绕而形成的曲线,如图(1)所示.如图(2)所示阴影部分也是一个美丽的螺旋线型的图案,它的画法是这样的:正方形ABCD的边长为4,取正方形ABCD各边的四等分点E,F,G,H,作第2个正方形EFGH,然后再取正方形EFGH各边的四等分点M,N,P,Q,作第3个正方形MNPQ,依此方法一直继续下去,就可
以得到阴影部分的图案.如图(2)阴影部分,
设直角三角形AEH的面积为b1,直角三角
形EMQ的面积为b2,后续各直角三角形的
面积依次为b3,…,bn,则数列{bn}的前n
项和Sn=____________.
27
设由外到内各正方形的边长依次为a1,a2,a3,…,an,
…,
28
29
解决等比数列前n项和公式有关问题时应注意
(1)首先将题目问题转化为等比数列问题.
(2)当题中有多个数列出现时,既要研究单一数列项与项之间的关系,又要关注各数列之间的相互联系.
反思感悟
30
跟踪训练3 如图,画一个边长为2的正方形,再将此正方形各边的中点相连得到第2个正方形,以此类推,记第n个正方形的面积为an,数列{an}的前n项和为Sn.求{an}的通项公式及S2 023.
31
记第n个正方形的边长为bn,
32
1.知识清单:
(1)等比数列前n项和公式的性质.
(2)等比数列前n项和公式的实际应用.
(3)等比数列前n项和公式的综合应用.
2.方法归纳:公式法、分类讨论法、转化法.
3.常见误区:应用片段和性质时易忽略其成立的条件.
课堂小结
随堂演练
四
1
2
3
4
1.在等比数列{an}中,a1a2a3=1,a4=4,则a2+a4+a6+…+a2n等于
√
1
2
3
4
2.设等比数列{an}的前n项和为Sn,若S10∶S5=1∶2,则S15∶S5等于
A.3∶4 B.2∶3
C.1∶2 D.1∶3
√
在等比数列{an}中,S5,S10-S5,S15-S10成等比数列,
因为S10∶S5=1∶2,
3.我国古代著作《庄子·天下篇》引用过一句话:“一尺之棰,日取其半,万世不竭.”其含义是:一尺长的木棍,每天截去它的一半,永远也截不完.在这个问题中,记第n天后剩余木棍的长度为an,数列{an}的前n项和为Sn,则使得不等式Sn> 成立的正整数n的最小值为
A.6 B.5 C.4 D.3
√
1
2
3
4
1
2
3
4
1
2
3
4
4.一个项数为偶数的等比数列{an},全部项之和为偶数项之和的4倍,前3
项之积为64,则数列的通项公式an=___________________.
设数列的首项为a1,公比为q,奇数项、偶数项之和分别记作S奇,S偶,由题意可知,S奇+S偶=4S偶,即S奇=3S偶,因为数列{an}的项数为偶
数,所以有q=
又因为a1·a1q·a1q2=64,所以 ·q3=64,即a1=12,故所求通项公式为an=12× ,n∈N*.
课时对点练
五
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
基础巩固
1.已知一个等比数列的项数是偶数,其奇数项之和为1 011,偶数项之和为2 022,则这个数列的公比为
A.8 B.-2 C.4 D.2
√
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
2.一个项数为偶数的等比数列,它的偶数项之和是奇数项之和的2倍,又它的首项为1,且中间两项的和为24,则此等比数列的项数为
A.6 B.8 C.10 D.12
√
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
设等比数列的项数为2n项,所有奇数项之和为S奇,所有偶数项之和为S偶,
所以通项公式为an=2n-1,
中间两项的和为an+an+1=2n-1+2n=24,
解得n=4,所以项数为8.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
3.设等比数列{an}的前n项和为Sn,已知S3=8,S6=7,则a7+a8+a9等于
√
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
易知q≠-1,
因为a7+a8+a9=S9-S6,
且S3,S6-S3,S9-S6也成等比数列,
即8,-1,S9-S6成等比数列,
所以8(S9-S6)=1,
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
√
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
设数列{an}的公比为q(q>0,q≠1),
∵a3,a5,-a4成等差数列,∴2a1q4=a1q2-a1q3,
∵a1≠0,q≠0,
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
5.中国古代数学名著《九章算术》中有这样一个问题:今有牛、马、羊食人苗,苗主责之粟五斗,羊主曰:“我羊食半马.”马主曰:“我马食半牛.”今欲衰偿之,问各出几何?此问题的译文是:今有牛、马、羊吃了别人的禾苗,禾苗主人要求赔偿5斗粟.羊主人说:“我羊所吃的禾苗只有马的一半.”马主人说:“我马所吃的禾苗只有牛的一半.”打算按此比例偿还,他们各应偿还多少?此问题中1斗为10升,则牛主人应偿还多少升粟?
√
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
5斗=50升,设羊、马、牛的主人应偿还粟的量分别为a1,a2,a3,
由题意可知a1,a2,a3构成公比为2的等比数列,且S3=50,
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
6.(多选)下列说法正确的是
A.若数列{an}是等差数列,且am+an=as+at(m,n,s,t∈N*),则m+n
=s+t
B.若Sn是等差数列{an}的前n项和,则Sn,S2n-Sn,S3n-S2n成等差数列
C.若Sn是等比数列{an}的前n项和,则Sn,S2n-Sn,S3n-S2n成等比数列
D.若Sn是等比数列{an}的前n项和,且Sn=Aqn+B(其中A,B是非零常数,
n∈N*),则A+B为零
√
√
若数列{an}是常数列,对任意的正整数m,n,s,t都有am+an=as+at,A错误;
设等差数列{an}的公差为d,首项是a1,
Sn=a1+a2+…+an,
S2n-Sn=an+1+an+2+…+a2n=(a1+nd)+(a2+nd)+…+(an+nd)
=Sn+n2d,
同理S3n-S2n=(S2n-Sn)+n2d =Sn+2n2d,
因此2(S2n-Sn)=Sn+(S3n-S2n),
则Sn,S2n-Sn,S3n-S2n成等差数列,B正确;
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
若等比数列{an}的公比q=-1,a1=2,
则S2=0,S4-S2=0,S6-S4=0,不可能成等比数列,C错误;
等比数列的前n项和为Sn=Aqn+B,则q≠1,
否则Sn=na1,
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
7.某住宅小区计划植树不少于100棵,若第一天植2棵,以后每天植树的棵数是前一天的2倍,则需要的最少天数n(n∈N*)等于_____.
每天植树的棵数构成以2为首项,2为公比的等比数列,
6
由2n+1-2≥100,得2n+1≥102.
由于26=64,27=128,
则n+1≥7,即n≥6.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
8.设正项等比数列{an}的前n项和为Sn,且210S30-(210+1)S20+S10=0,则
公比q=______.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
由210S30-(210+1)S20+S10=0,
得210(S30-S20)=S20-S10.
易知q≠-1,
∴S10,S20-S10,S30-S20成等比数列,
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
9.已知等比数列{an}的前n项和为Sn,且满足S3=7,S6=63.
(1)求数列{an}的通项公式;
由题意知S6≠2S3,q≠1,且q≠-1,
由等比数列的前n项和等距分段的性质知,
∴an=2n-1.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
(2)若bn=an+log2an,求数列{bn}的前n项和Tn.
由(1)知bn=2n-1+n-1,
∴Tn=(1+2+…+2n-1)+[1+2+…+(n-1)]
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
10.某地区为完成国家退耕还林计划,截止到2019年年底还需要退耕还林的土地面积为6 370万亩,2020年该地区退耕还林的土地面积为515万亩,以后每年退耕还林的面积按12%递增.
(1)试问到哪一年该地区才能完成退耕还林计划?(结果精确到1年)(参考数据:1.128≈2.476,1.127≈2.211)
设从2021年起,每年退耕还林的土地面积(单位:万亩)依次为a1,a2,a3,…,an,…,
即515×1.12× (1.12n-1)=5 855×0.12,解得1.12n≈2.218.
又因为n∈N*,当n=7时,1.127≈2.211,
此时完不成退耕还林计划,当n=8时,1.128≈2.476>2.218,所以n=8.故到2028年该地区才能完成退耕还林计划.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
(2)为支持退耕还林工作,国家财政从2021年起补助农民当年退耕地每亩300斤粮食,每斤粮食按0.7元折算,并且补助当年退耕地每亩20元.试问:该地区完成退耕还林计划时,国家财政共需补助多少亿元?(精确到1亿元)
设国家财政共需补助W亿元,
则W=(300×0.7+20)×(6 370-515)×10-4≈135,
所以该地区完成退耕还林计划时,国家财政共需补助135亿元.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
综合运用
11.已知Sn为等比数列{an}的前n项和,S4=10,S12=70,则S8等于
A.30 B.-20
C.-30 D.30或-20
√
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
由{an}是等比数列,且S4=10,S12=70,知{an}的公比q≠-1,
所以S4,S8-S4,S12-S8构成等比数列,
所以(S8-S4)2=S4(S12-S8),
即(S8-10)2=10(70-S8),
化简并整理得 -10S8-600=0,
又S8=S4+q4S4>0,
解得S8=30或S8=-20(舍去).
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
12.(多选)在公比q为整数的等比数列{an}中,Sn是数列{an}的前n项和,若a1+a4=18,a2+a3=12,则下列说法正确的是
A.q=2
B.数列{Sn+2}是等比数列
C.S8=510
D.数列{lg an}是公差为2的等差数列
√
√
√
∵a1+a4=18,a2+a3=12且公比q为整数,
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
∴Sn+2=2n+1,故数列{Sn+2}是等比数列,故B正确;
an=2×2n-1=2n,∴lg an=lg 2n=nlg 2,
故数列{lg an}是公差为lg 2的等差数列,故D错误.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
13.已知等比数列{an}的首项为2,项数为奇数,其奇数项之和为 ,偶数项之和为 ,这个等比数列前n项的积为Tn(n≥1),则Tn的最大值为
√
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
设数列{an}共有(2m+1)项,由题意得
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
所以Tn=a1·a2·…·an
故当n=1或2时,Tn取最大值2.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
14.已知Sn为正项等比数列{an}的前n项和,若S6-3S3=4,则S9-S6的最小值为______.
由q≠-1及等比数列的性质,知S3,S6-S3,S9-S6成等比数列.
又S6-3S3=4,
32
当且仅当S3=2时,等号成立,
∴S9-S6的最小值为32.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
拓广探究
15.设f(x)是定义在R上的恒不为零的函数,且对任意的实数x,y,都有f(x)·f(y)=f(x+y).若a1= ,an=f(n)(n∈N*),则数列{an}的前n项和Sn=
________.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
令x=n,y=1,则f(n)·f(1)=f(n+1),
16.已知数列{an}的前n项和为Sn,且Sn=n-5an-85,n∈N*.
(1)证明:{an-1}是等比数列;
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
当n=1时,由Sn=n-5an-85可知,
a1=-14;
当n≥2时,an=Sn-Sn-1=-5an+5an-1+1,
即6an=5an-1+1.
因此6an-6=5an-1+1-6=5(an-1-1),
所以an-1= (an-1-1).
又a1-1=-15≠0,
所以数列{an-1}是等比数列.
(2)求数列{Sn}的通项公式,并求出n为何值时,Sn取得最小值,并说明理
由.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
解不等式Sn<Sn+1,
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
当n≥15时,数列{Sn}单调递增;
同理可得,当n≤15时,数列{Sn}单调递减.
故当n=15时,Sn取得最小值.
当q≠1时,Sn=,S2n=,
S3n=.
S2n-Sn=-=,
S3n-S2n=-=,
而2=2,
Sn(S3n-S2n)=×,
故有2=Sn(S3n-S2n),
(1)在其前2n项中,=q.
(2)在其前2n+1项中,S奇-S偶=a1-a2+a3-a4+…-a2n+a2n+1=
=(q≠-1);S奇=a1+qS偶.
∴q==2.
由已知得
②÷①得1+qn=,即qn=, ③
将③代入①得=64,
∴S3n==64×=63.
∴S3n=+S2n=+60=63.
得qn=,
∴S3n=S2n+q2nSn=60+48×2=63.
因为在等比数列中,若项数为2n,则=q,
因为该人6天后到达目的地,则有S6==378,
4-4×n
则a1=4,a2==a1,
a3==a2=2a1,
an==an-1⇒=,
于是数列{an}是以4为首项,为公比的等比数列,
则an=4×n-1.
由题意可得,S△AHE=,
即b1=,b2=,…,bn=,
于是bn==×n-1,
所以{bn}是以为首项,为公比的等比数列,
Sn=×=4×=4-4×n.
由题意可知b=2×2=b,
则an=an-1,
所以数列{an}是以a1=4为首项,以q=为公比的等比数列,
即an=4×n-1=23-n.
S2 023==8×=8-.
由a1a2a3=1得a2=1,又a4=4,故q2=4,a2+a4+a6+…+a2n==.
A.2n-1 B.
C. D.
所以S5=2S10,S15=S5,得S15∶S5=3∶4.
数列{an}是以为首项,为公比的等比数列,
∴Sn==1-,
若Sn>,则1->,即>,
∴2n>,又n∈N*,24=16<,25=32>,
∴使得不等式Sn>成立的正整数n的最小值为5.
12×n-1,n∈N*
a
n-1
=.
由=q,可知q=2.
则q==2,又它的首项为1,
A. B.- C. D.
即S9-S6=,
所以a7+a8+a9=.
4.等比数列{an}各项为正数,a3,a5,-a4成等差数列.若Sn为{an}的前n项和,则等于
A.2 B. C. D.
∴2q2+q-1=0.解得q=或q=-1(舍去).
∴=1+q3=.
A. B. C. D.
则=50,
解得a1=,
所以牛主人应偿还粟的量为a3=22a1=.
所以Sn==-·qn+,
即A=-,B=,A+B=0,D正确.
其前n项和Sn===2n+1-2.
∴=q10=10.
又{an}为正项等比数列,∴q=.
q3===8,故q=2,
∴S3==7,代入q可得a1=1,
=2n+-1.
则a1=515×,a2=515×2,…,an=515×n,
则Sn=a1+a2+…+an==6 370-515,
S
∴
∴或(舍),
故A正确;
Sn==2n+1-2,
∴S8=510,故C正确;
A. B. C.1 D.2
S奇=a1+a3+…+a2m+1=,
S偶=a2+a4+…+a2m=,
因为项数为奇数时,S奇=a1+qS偶,
即2+q=,
所以q=.
=aq1+2+…+n-1=
∴S9-S6===4S3++16≥2+16=32,
1-
又an=f(n),∴==f(1)=a1=,
∴数列{an}是以为首项,为公比的等比数列,
∴Sn==1-.
由(1)知,an-1=-15×n-1,
得an=1-15×n-1,
从而Sn=75×n-1+n-90,n∈N*.
得n-1<,n> +1≈14.9,
$$