内容正文:
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.通过学习等差数列前n项和的性质和等差数列奇(偶)项和的性质发展数学抽象素养和逻辑推理素养.2.通过利用等差数列前n项和解决实际问题发展数学建模素养和数学运算素养.
知识点一 等差数列前n项和的性质
如果等差数列{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.
知识点二 等差数列奇(偶)项和的性质
(1)若等差数列{an}的项数为2n(n∈N+),则S2n=n(an+an+1),且S偶-S奇=nd,=.
(2)若等差数列{an}的项数为2n-1(n∈N+),则S2n-1=(2n-1)an,且S奇-S偶=an,S奇=nan,S偶=(n-1)an,=.
[拓展] (1)若两个等差数列{an},{bn}的前n项和分别为Sn,Tn,则=.
(2)数列{an}为等差数列⇔Sn=An2+Bn(A,B为常数)⇔数列为等差数列.
1.判一判(正确的打“√”,错误的打“×”)
(1)设等差数列{an}的前n项和为Sn,则Sn与an不可能相等.( )
(2)若等差数列{an}的前n项和为Sn,则数列Sm,S2m,S3m,…(m∈N+)为等差数列.( )
(3)若两个等差数列{an},{bn}的前n项和分别为An,Bn,则一定有=.( )
答案:(1)× (2)× (3)×
2.做一做(请把正确的答案写在横线上)
(1)设等差数列{an}的前n项和为Sn,若S4=8,S8=20,则a13+a14+a15+a16=________.
(2)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:(1)20 (2)102 100
题型一 等差数列前n项和性质的应用
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: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.
解法二:设等差数列{an}的公差为d.
由已知得
解得a1=,d=,
所以S3m=3ma1+d=210.
感悟提升 等差数列前n项和性质的应用
涉及此类问题时,可利用方程的思想方法确定出系数,从而求出Sn;也可利用等差数列的等长片断和的性质,构造出新数列,从而使问题得到解决.
[跟踪训练1] 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.
题型二 等差数列的奇(偶)数项和问题
(1)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.
(2)(2023·新课标Ⅱ卷){an}为等差数列,bn=记Sn,Tn分别为数列{an},{bn}的前n项和,S4=32,T3=16.
①求{an}的通项公式;
②证明:当n>5时,Tn>Sn.
[解] ①设等差数列{an}的公差为d,
而bn=
则b1=a1-6,b2=2a2=2a1+2d,b3=a3-6=a1+2d-6,
于是解得
所以an=a1+(n-1)d=2n+3,
所以{an}的通项公式是an=2n+3.
②证法一:由①知,
Sn==n2+4n,
bn=
当n为偶数时,bn-1+bn=2(n-1)-3+4n+6=6n+1,
Tn=·=n2+n,
当n>5时,Tn-Sn=-(n2+4n)=n(n-1)>0,因此Tn>Sn;
当n为奇数时,Tn=Tn+1-bn+1=(n+1)2+(n+1)-[4(n+1)+6]=n2+n-5,
当n>5时,Tn-Sn=-(n2+4n)=(n+2)(n-5)>0,因此Tn>Sn.
所以当n>5时,Tn>Sn.
证法二:由①知,Sn==n2+4n,
bn=
当n为偶数时,Tn=(b1+b3+…+bn-1)+(b2+b4+…+bn)=·+·=n2+n,
当n>5时,Tn-Sn=-(n2+4n)=n(n-1)>0,因此Tn>Sn;
当n为奇数时,若n≥3,则Tn=(b1+b3+…+bn)+(b2+b4+…+bn-1)=·+·=n2+n-5,显然T1=b1=-1满足上式,因此当n为奇数时,Tn=n2+n-5,
当n>5时,Tn-Sn=-(n2+4n)=(n+2)(n-5)>0,因此Tn>Sn.
所以当n>5时,Tn>Sn.
感悟提升 等差数列奇(偶)数项和的性质的应用
在涉及等差数列奇(偶)数项和的问题时,可以根据已知条件先求出首项a1,公差d,再求所求,这是基本解法,但有些题目,如果适当运用等差数列奇(偶)数项和的性质往往可以达到化繁为简的效果.
[跟踪训练2] (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}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:等差数列前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==.
(3)已知数列{an}的前n项和为Sn,若a1=1,S4=2a5,且an+2-2an+1+an=0(n∈N+).
①求数列{an}的通项公式;
②记bn=(-1)n·a,求数列{bn}的前n项和Tn.
解:①由an+2-2an+1+an=0,
可得an+2+an=2an+1,
∴数列{an}为等差数列.
设公差为d,则S4=4a1+d,a5=a1+4d.
又S4=2a5,a1=1,∴d=1.
从而an=a1+(n-1)d=n.
②由①可知an=n,∴bn=(-1)n·n2,
∴Tn=b1+b2+…+bn=-12+22-32+42-…+(-1)n·n2,
当n为偶数时,Tn=-12+22-32+42-…+(-1)n·n2=1+2+3+4+…+n=;
当n为奇数时,Tn=-12+22-32+42-…+(-1)n·n2=-12+22-32+42-…-n2
=-12+(22-32)+(42-52)+…+[(n-1)2-n2]=-.
∴数列{bn}的前n项和Tn=(-1)n·.
题型三 等差数列前n项和的比例问题
(1)已知等差数列{an},{bn}的前n项和分别为Sn,Tn且=,则=________.
[解析] 解法一:======.
解法二:设Sn=(7n+2)nt,Tn=(n+3)nt(t≠0).则a5=S5-S4=65t,b5=T5-T4=12t.故==.
[答案]
(2)(2024·辽宁沈阳重点高中郊联体高二月考)设等差数列{an},{bn}的前n项和分别为Sn,Tn,且=,则=________.
[解析] 因为等差数列{an},{bn}的前n项和分别为Sn,Tn,所以=·=·=·=·=×=.
[答案]
感悟提升 解决两个等差数列项的比例问题的思路
涉及两个等差数列项的比,可以转化为两等差数列前n项和之比来处理.
[跟踪训练3] 若两个等差数列{an},{bn}的前n项和An,Bn满足关系式=(n∈N+),求.
解:因为==
==,
又=,
所以===.
题型四 等差数列前n项和在实际中的应用
某单位用分期付款的方式为职工购买40套住房,共需1150万元,购买当天先付150万元,按约定以后每月的这一天都交付50万元,并加付所有欠款利息,月利率为1%,若交付150万元后的一个月开始算分期付款的第1个月,问分期付款的第10个月应付多少钱?全部付清后,买这40套住房实际花了多少钱?
[解] 购房时付150万元,则欠款1000万元,依题意分20次付款,
设每次付款依次为an万元,
则a1=50+1000×1%=60,
a2=50+(1000-50)×1%=59.5,
a3=50+(1000-50×2)×1%=59,
a4=50+(1000-50×3)×1%=58.5,
所以an=50+[1000-50(n-1)]×1%=60-(n-1)(1≤n≤20,n∈N+).
所以{an}是以60为首项,-为公差的等差数列.
所以a10=60-9×=55.5,
a20=60-19×=50.5.
所以S20=×(a1+a20)×20=10×(60+50.5)=1105.
所以实际花了1105+150=1255万元.
感悟提升
(1)本例属于与等差数列前n项和有关的应用题,其关键在于构造合适的等差数列.
(2)遇到与正整数有关的应用题时,可以考虑与数列知识联系,抽象出数列的模型,并用有关知识解决相关的问题.
[跟踪训练4] 某地在抗洪抢险中接到预报,24 h后有一个超历史最高水位的洪峰到达,为保证万无一失,抗洪指挥部决定在24 h内另筑起一道堤作为第二道防线.经计算,如果有20辆大型翻斗车同时工作25 h,可以筑起第二道防线,但是除了现有的一辆车可以立即投入工作外,其余车辆需从各处紧急抽调,每隔20 min就可有一辆车到达并投入工作.问:指挥部至少还需组织多少辆车这样陆续工作,才能保证在24 h内完成第二道防线?请说明理由.
解:设从现有一辆车投入工作算起,各车的工作时间依次构成数列{an},则an-an-1=-.
∴数列{an}是首项为24,公差为-的等差数列,设还需组织(n-1)辆车,
由an=24-(n-1)>0,得n<73,即n≤72,
则a1+a2+…+an=24n+×≥20×25.
∴n2-145n+3000≤0,
即(n-25)(n-120)≤0.
又n≤72,∴25≤n≤72,∴nmin=25,
∴n-1=24.
故指挥部至少还需组织24辆车这样陆续工作,才能保证在24 h内完成第二道防线.
1.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.设Sn是等差数列{an}的前n项和,若=,则=( )
A.1 B.-1
C.2 D.
答案:A
解析:====×=1.
3.(多选)(2024·内蒙古赤峰新城红旗中学高二期中)已知从冬至日起,小寒、大寒、立春、雨水、惊蛰、春分、清明、谷雨、立夏、小满、芒种这十二个节气的日影长减等寸(减等寸:以相等的尺寸减少).若雨水的日影长为95寸,冬至、小寒、大寒、立春的日影长之和为480寸,则( )
A.冬至的日影长为135寸
B.芒种的日影长为25寸
C.冬至的日影长为125寸
D.芒种的日影长为15寸
答案:AB
解析:由题意知,十二个节气的日影长成等差数列,设该等差数列为{an},公差为d,前n项和为Sn,则由已知,得a5=95,S4=480,则解得则a12=a1+11d=25,所以冬至的日影长为135寸,芒种的日影长为25寸.故选AB.
4.在等差数列{an}中,a1=1,其前n项和为Sn,若-=2,则S10=________.
答案:100
解析:因为数列{an}是等差数列,a1=1,所以数列也是等差数列,且首项为=1,又-=2,所以数列的公差为1,所以=1+(10-1)×1=10,所以S10=100.
5.已知数列{an}的前n项和为Sn,a1=-7,a2=3,an+2=an+2,则S100=________.
答案:4700
解析:由a1=-7,an+2=an+2,可得an+2-an=2,∴a1,a3,a5,a7,…,a99是以-7为首项,2为公差的等差数列,共50项.∴a1+a3+a5+…+a99=50×(-7)+×2=2100.同理,a2,a4,a6,…,a100是以3为首项,2为公差的等差数列,共50项.∴a2+a4+a6+…+a100=50×3+×2=2600.∴S100=2100+2600=4700.
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
7
难度
★
★
★
★
★★
★
★
对点
等差数列前n项和性质的应用
利用等差数列奇偶项和的性质求中间项
等差数列前n项和的比例问题——求式子的值
等差数列前n项和的实际应用
等差数列前n项和的性质、最值、范围问题的综合
利用等差数列奇偶项和的性质求首项和公差
利用等差数列前n项和的性质解决前n项和的比值问题
题号
8
9
10
11
12
13
14
难度
★★
★
★★
★★
★★
★★
★★★
对点
等差数列前n项和的实际应用与等差数列前n项和的最值问题的综合
利用等差数列、等差数列的前n项和公式解决实际问题
利用an与Sn的关系求数列的首项及通项公式;等差数列的奇(偶)数项和问题
利用等差数列的前n项和公式解决问题
等差数列前n项和的比例问题——求参数的值
等差数列的奇(偶)数项和问题
等差数列项的最值问题、前n项和的范围问题与实际问题的综合
一、选择题
1.等差数列{an}的前n项和为Sn,若S3=-6,S18-S15=18,则S18=( )
A.36 B.18
C.72 D.9
答案:A
解析:由S3,S6-S3,…,S18-S15成等差数列,可知S18=S3+(S6-S3)+(S9-S6)+…+(S18-S15)==36.
2.已知等差数列{an}的前n项和为377,项数n为奇数,且前n项中,奇数项的和与偶数项的和之比为7∶6,则中间项为( )
A.28 B.29
C.30 D.31
答案:B
解析:因为n为奇数,所以==,解得n=13,所以S13=13a7=377,所以a7=29.故选B.
3.(2024·山东淄博临淄中学高二阶段检测)已知等差数列{an}和{bn}的前n项和分别为Sn,Tn,若=,则=( )
A. B.
C. D.
答案:C
解析:由等差数列的性质,得==×,又==,所以===,即=,所以=×=×=.故选C.
4.(2024·山东德州齐河第一中学高二月考)生命在于运动,某健身房为吸引会员来健身,推出打卡送积分活动(积分可兑换礼品),第一天打卡得1积分,以后只要连续打卡,每天所得积分都会比前一天多2分.若某天未打卡,则当天没有积分,且第二天打卡须从1积分重新开始.某会员参与打卡活动,从3月1日开始,到3月20日他共得193积分,中途有一天未打卡,则他未打卡的那天是( )
A.3月5日或3月16日
B.3月6日或3月15日
C.3月7日或3月14日
D.3月8日或3月13日
答案:D
解析:若他连续打卡,则从打卡第1天开始,逐日所得积分依次成等差数列,且首项为1,公差为2,第n天所得积分为2n-1.假设他连续打卡n天,第n+1天中断了,则他所得积分之和为(1+3+…+2n-1)+[1+3+…+2(19-n)-1]=+=193,化简得n2-19n+84=0,解得n=7或12,所以他未打卡的那天是3月8日或3月13日.故选D.
5.(多选)(2024·东北育才学校高二阶段检测)设数列{an}的前n项和为Sn,-=-1,S1=32,则下列说法正确的是( )
A.an=-2n+34,n∈N+
B.S2,S4-S2,S6-S4成等差数列,公差为-8
C.当Sn取得最大值时,n=16
D.当Sn≥0时,n的最大值为33
答案:ABD
解析:由题意,得-=-1,S1=32,则数列是以=32为首项,d=-1为公差的等差数列,所以=32-(n-1)=33-n,即Sn=n(33-n).所以a1=S1=32,Sn-1=(n-1)·(34-n)(n≥2,n∈N+),所以an=Sn-Sn-1=n(33-n)-(n-1)(34-n)=34-2n(n≥2,n∈N+),又a1=S1=32,适合上式,所以an=34-2n(n∈N+),故A正确;由Sn=n(33-n),得S2=62,S4-S2=116-62=54,S6-S4=162-116=46,所以S2,S4-S2,S6-S4成等差数列,公差为-8,故B正确;二次函数y=x(33-x)=-x2+33x的图象开口向下,对称轴为直线x=,所以当n=16或n=17时,Sn取得最大值,故C错误;由Sn=n(33-n)≥0,得0≤n≤33,故D正确.故选ABD.
二、填空题
6.已知等差数列{an}共有10项,其偶数项之和为15,奇数项之和为12.5,则首项a1=________,公差d=________.
答案:0.5 0.5
解析:由于等差数列{an}的项数为10,故S偶-S奇=15-12.5=5d,所以d=0.5.由15+12.5=10a1+×0.5,得a1=0.5.
7.(2024·山东菏泽鄄城第一中学高二月考)设等差数列{an}的前n项和为Sn,若=7,则=________.
答案:
解析:在等差数列{an}中,因为S7,S14-S7,S21-S14成等差数列,所以2(S14-S7)=S7+(S21-S14),设S7=m(m≠0),则S14=7m,于是有12m=m+(S21-7m),解得S21=18m,所以=.
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棵树坑旁边,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________.
答案:2000
解析:假设开始时将树苗集中放置在第n棵树坑旁边(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.
三、解答题
9.假设某市2024年新建住房400万平方米,其中有250万平方米是中低价房,每年新建住房中,中低价房的面积均比上一年增加50万平方米.那么,到哪一年底,该市历年所建中低价房的累计面积(以2024年为累计的第一年)将首次不少于4750万平方米?
解:设从2024年起每年新建中低价房的面积依次为an万平方米,由题意可知{an}是等差数列,其中a1=250,公差d=50,
则an=250+(n-1)×50=50n+200,Sn=250n+×50=25n2+225n,
令25n2+225n≥4750,即n2+9n-190≥0,而n是正整数,∴n≥10.
∴到2033年底,该市历年所建中低价房的累计面积将首次不少于4750万平方米.
10.已知数列{an}的前n项和为Sn,an>0,且满足(an+2)2=4Sn+4n+1,n∈N+.
(1)求a1及数列{an}的通项公式;
(2)若bn=(-1)n·an,求数列{bn}的前n项和Tn.
解:(1)对于(an+2)2=4Sn+4n+1,①
当n=1时,(a1+2)2=4a1+5,a=1,
而an>0,则a1=1.
又(an+1+2)2=4Sn+1+4(n+1)+1,②
由②-①可得(an+1+2)2-(an+2)2=4an+1+4,
a=(an+2)2,而an>0,
∴an+1=an+2,即an+1-an=2.
∴{an}是以1为首项,2为公差的等差数列,
∴an=1+2(n-1)=2n-1(n∈N+).
(2)∵bn=(-1)n×(2n-1),
∴Tn=-1+3-5+7-…+(-1)n×(2n-1),
当n为偶数时,Tn==n;
当n为奇数时,Tn=-(2n-1)=-n.
综上所述,Tn=(-1)n·n(n∈N+).
11.(多选)(2024·江苏南通高二期中)在我国古代著名的数学专著《九章算术》里有一段叙述:今有良马与驽马发长安至齐,齐去长安一千一百二十五里,良马初日行一百零三里,日增十三里;驽马初日行九十七里,日减半里;良马先至齐,复还迎驽马,二马相逢.则( )
A.驽马第七日行九十四里
B.第七日良马先至齐
C.第八日两马相逢
D.两马相逢时良马行一千三百九十五里
答案:AD
解析:由题意可知,两马日行里数都成等差数列,记数列{an}为良马的日行里数,其前n项和为Sn,a1=103,公差d1=13,所以an=13n+90,n∈N+.记数列{bn}为驽马的日行里数,b1=97,公差d2=-0.5,所以bn=-0.5n+97.5,n∈N+.驽马第七日所行里数为b7=-0.5×7+97.5=94,故A正确;前七日良马所行里数为S7=(a1+a7)=994,因为994<1125,所以第七日良马未至齐,故B错误;设第m日两马相逢,由题意可知两马所行的里数之和是齐和长安之间距离的两倍,即103m+×13+97m-×0.5=2×1125,解得m=9或m=-40(舍去),即第九日两马相逢,此时良马所行里数为S9=(a1+a9)=1395,故C错误,D正确.故选AD.
12.设等差数列{an}和{bn}的前n项和分别为Sn和Tn,且=,若=,则t=________.
答案:5
解析:由=,得=,即=,故=====,又=,所以==,所以=,解得t=5.
13.(2021·新高考Ⅰ卷)已知数列{an}满足a1=1,an+1=
(1)记bn=a2n,写出b1,b2,并求数列{bn}的通项公式;
(2)求{an}的前20项和.
解:(1)由已知,a1=1,a2=a1+1=2,a3=a2+2=4,a4=a3+1=5,
因为a2n+1=a2n+2=a2n-1+1+2=a2n-1+3,
即a2n+1-a2n-1=3,
所以数列{an}的奇数项构成以1为首项,3为公差的等差数列,
所以当n为奇数时,an=1+×3=.
因为a2n+2=a2n+1+1=a2n+2+1=a2n+3,即a2n+2-a2n=3,所以数列{an}的偶数项构成以2为首项,3为公差的等差数列,
所以当n为偶数时,an=2+×3=,
而bn=a2n,
所以b1=a2=2,b2=a4=5,bn=a2n==3n-1,所以bn=3n-1.
(2)由(1),知{an}的前20项和S20=a1+a2+…+a20=(a1+a3+…+a19)+(a2+a4+…+a20)=10×1+×3+10×2+×3=300.
所以{an}的前20项和为300.
14.7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=,1≤n≤13,
又S13=273,
∴Sn=273+(51-n)(n-13),14≤n≤31.
∵S13=273>200,
∴当1≤n≤13时,
由Sn>200,得12≤n≤13,
由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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