内容正文:
第一章 数列
§3 等比数列
3.2 等比数列的前n项和
第1课时 等比数列的前n项和
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课前案·自主学习
01
02
CONTENTS
03
课堂案·互动探究
课后案·学业评价
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第一章 数列
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课前案·自主学习
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导学1 等比数列前n项和公式
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导学2 等比数列前n项和的性质
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等比
qn
q
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课后案·学业评价
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第一章 数列
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学业标准
素养目标
1.掌握等比数列的前n项和公式,能运用等比数列的前n项和公式解决一些简单问题.(重点)
2.掌握等比数列前n项和的性质,并能综合应用.(重点、难点)
1.通过等比数列前n项和公式的推导,培养逻辑推理等核心素养.
2.借助等比数列求和的综合应用,提升数学运算等核心素养.
要求通项为an=2n-1的等比数列前64项的和,能不能像等差数列求和一样用倒序相加法?
[提示] 不能用倒序相加法,因为对应各项后的和不相等.
如何求等比数列{an}的前n项和Sn?
[提示] 设等比数列{an}的首项是a1,公比是q,前n项和为Sn.
由Sn=a1+a1q+a1q2+…+a1qn-1,①
则qSn=a1q+a1q2+…+a1qn-1+a1qn.②
由①-②得:(1-q)Sn=a1-a1qn.
当q≠1时,Sn= eq \f(a1(1-qn),1-q);
当q=1时,由于a1=a2=…=an,所以Sn=na1.
当q≠1时,Sn= eq \f(a1(1-qn),1-q)=- eq \f(a1,1-q)qn+ eq \f(a1,1-q),即等比数列{an}的前n项和可以写成Sn=Aqn+B(q≠1,且AB≠0)的形式,其中A+B=0,反之成立吗?
[提示] 成立.若数列{an}的前n项和Sn=Aqn+B(q≠1且AB≠0),且A+B=0,则数列{an}是等比数列.证明如下:当n=1时,a1=S1=Aq+B=A(q-1);当n≥2时,an=Sn-Sn-1=Aqn-Aqn-1=(q-1)·Aqn-1,又因为a1=A(q-1)满足an=(q-1)Aqn-1,
所以an=A(q-1)qn-1,故数列{an}是等比数列.
◎结论形成
等比数列的前n项和公式
已知量
首项、公比与项数
首项、末项与公比
求和公式
____________________________
_________________________
Sn=eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(na1,q=1,,\f(a11-qn,1-q),q≠1且q≠0.))
Sn=eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(na1,q=1,,\f(a1-anq,1-q),q≠1且q≠0.))
[导学点睛] 在应用公式求和时,应注意到Sn= eq \f(a1(1-qn),1-q)的使用条件为q≠1且q≠0,而当q=1时应按常数列求和,即Sn=na1.
[拓展] Sn是数列{an}的前n项和.{an}是公比不等于1的等比数列⇔Sn=Aqn+B,且A+B=0.
在等比数列{an}中,若连续m项的和不等于0,则它们仍组成等比数列.即Sm,S2m-Sm,S3m-S2m,…仍组成等比数列.怎样证明这个关系?
[提示] 因为在等比数列{an}中有am+n=amqn,
所以Sm=a1+a2+…+am,S2m-Sm=am+1+am+2+…+a2m=a1qm+a2qm+…+amqm=(a1+a2+…+am)qm=Sm·qm.同理S3m-S2m=Sm·q2m,…,所以当Sm≠0时,Sm,S2m-Sm,S3m-S2m,…,仍组成等比数列.
◎结论形成
1.前n项和性质
等比数列{an}的前n项和为Sn,则Sn,S2n-Sn,S3n-S2n,…成______数列(当q=-1,n为偶数时,上述性质不成立),公比为___.
2.项的个数的“奇偶”性质
在等比数列{an}中,公比为q.
(1)若共有2n项,则S偶∶S奇=___;
(2)若共有2n+1项,则S奇-S偶= eq \f(a1(1+q2n+1),1+q)(q≠0,q≠1且q≠-1).
[拓展] 若{an}是公比为q的等比数列,前n项积为Tn,n,m∈N+,则
(1)Tn=a eq \o\al(n,1)q eq \s\up6(\f(n(n-1),2));
(2)Tm, eq \f(T2m,Tm), eq \f(T3m,T2m),…是等比数列,公比为qm2.
1.判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)
(1)数列1, eq \f(1,2), eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2)))
eq \s\up12(2),…, eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2)))
eq \s\up12(100)的各项和等于2 eq \b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\co1(1-\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2)))\s\up12(100))).( )
(2)若首项为a的数列既是等比数列又是等差数列,则其前n项和等于na.( )
(3)若a∈R,则1+a+a2+…+an-1= eq \f(1-an,1-a).( )
(4)1-2+4-8+16-…+(-2)n-1= eq \f(1×(1-2)n,1-(-2)).( )
答案 (1)× (2)√ (3)× (4)×
2.等比数列{an}的各项都是正数,若a1=81,a5=16,则它的前5项的和是( )
A.179
B.211
C.243
D.275
解析 因为q4= eq \f(a5,a1)= eq \f(16,81)= eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(2,3)))
eq \s\up12(4),各项都是正数,
所以q= eq \f(2,3),
因此S5= eq \f(a1-a5q,1-q)= eq \f(81-16×\f(2,3),1-\f(2,3))=211.
答案 B
3.设Sn为等比数列{an}的前n项和.若27a4+a7=0,则 eq \f(S4,S2)=( )
A.10
B.9
C.-8
D.-5
解析 设数列{an}的公比为q,由27a4+a7=0,得a4(27+q3)=0.因为a4≠0,所以27+q3=0,解得q=-3,故 eq \f(S4,S2)= eq \f(1-q4,1-q2)=10.
答案 A
4.已知一个等比数列的首项为1,项数为偶数,其奇数项之和为85,偶数项之和为170,则这个数列的公比q=___________.
解析 法一 设S偶与S奇分别是该等比数列偶数项的和与奇数项的和,公比为q,则 eq \f(S偶,S奇)=q= eq \f(170,85)=2.
法二 设该等比数列的项数为2n,易得该等比数列的奇数项和偶数项也分别成等比数列,且公比均为q2,
∴ eq \f(a1[1-(q2)n],1-q2)=85,①
eq \f(a1·q[1-(q2)n],1-q2)=170.②
②÷①,得q=2.
答案 2
题型一 等比数列前n项和的基本计算 eq \a\vs4\al(一题多解)
[教材例5拓展](1)(多选题)设Sn是公比为正数的等比数列{an}的前n项和.若a2= eq \f(1,2),a3a5= eq \f(1,64),则( )
A.a4= eq \f(1,8)
B.S3= eq \f(9,4)
C.an+Sn为常数
D.{Sn-2}为等比数列
(2)(2025·哈尔滨六校高二联考)记Sn为等比数列{an}的前n项和,若S3=3,S6=9,则S15=( )
A.48
B.81
C.93
D.243
(3)已知等比数列{an}的前n项和为Sn,若a4-a2=12,a5-a3=24,则 eq \f(S4,a1+a3)=___________.
[解析] (1)设{an}的公比为q(q>0),则a2q·a2q3= eq \f(1,64),解得q= eq \f(1,2),故an=a2qn-2= eq \f(1,2n-1),则a1=1,Sn= eq \f(1-\f(1,2n),1-\f(1,2))=2- eq \f(1,2n-1).对于A,a4= eq \f(1,23)= eq \f(1,8),故A正确;对于B,S3=2- eq \f(1,22)= eq \f(7,4),故B错误;对于C,an+Sn= eq \f(1,2n-1)+2- eq \f(1,2n-1)=2为常数,故C正确;对于D,由Sn-2=- eq \f(1,2n-1), eq \f(Sn-2,Sn-1-2)= eq \f(1,2),n≥2,可得{Sn-2}为等比数列,故D正确.故选ACD.
(2)设等比数列{an}的公比为q,因为S3=3,S6=9,
若q=1,则S3=3a1=3,得a1=1,则S6=6a1=6≠9,故q≠1,
则 eq \f(S6,S3)= eq \f(\f(a1(1-q6),1-q),\f(a1(1-q3),1-q))= eq \f(1-q6,1-q3)=1+q3= eq \f(9,3)=3,
所以q3=2,
所以 eq \f(S15,S3)= eq \f(\f(a1(1-q15),1-q),\f(a1(1-q3),1-q))= eq \f(1-q15,1-q3)= eq \f(1-25,1-2)=31,
所以S15=31S3=31×3=93.
故选C.
(3)由数列{an}为等比数列,设其公比为q,又a4-a2=12,则a5-a3=a4q-a2q=(a4-a2)q=12q=24,解得q=2,所以a4-a2=a1q3-a1q=6a1=12,则a1=2,所以an=a1qn-1=2n,Sn= eq \f(a1(1-qn),1-q)= eq \f(2(1-2n),1-2)=2n+1-2,所以a3=8,S4=25-2=30,所以 eq \f(S4,a1+a3)= eq \f(30,2+8)=3.
[答案] (1)ACD (2)C (3)3
等比数列前n项和的运算技巧
(1)注意考查条件,公比为1时是否成立.
(2)涉及的基本量有a1,q,n,an,Sn共五个,“知三求二”,常常列方程组来求解.
(3)消元解方程组的过程中,常常用到两式相除、整体代入的方法.
[触类旁通]
1.(1)(多选题)(2025·全国二卷)记Sn为等比数列{an}的前n项和,q为{an}的公比,q>0,若S3=7,a3=1,则( )
A.q= eq \f(1,2)
B.a5= eq \f(1,9)
C.S5=8
D.an+Sn=8
(2)在等比数列{an}中,若a3= eq \f(3,2),S3= eq \f(9,2),求a1和公比q.
解析 (1)对A,由题意得 eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(a1q2=1,,a1+a1q+a1q2=7,))结合q>0,解得 eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(a1=4,,q=\f(1,2)))或 eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(a1=9,,q=-\f(1,3)))(舍去),故A正确;
对B,则a5=a1q4=4× eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2)))
eq \s\up12(4)= eq \f(1,4),故B错误;
对C,S5= eq \f(a1(1-q5),1-q)= eq \f(4×\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(1-\f(1,32))),1-\f(1,2))= eq \f(31,4),故C错误;
对D,an=4× eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2)))
eq \s\up12(n-1)=23-n,Sn= eq \f(4×\b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\co1(1-\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2)))\s\up12(n))),1-\f(1,2))=8-23-n,
则an+Sn=23-n+8-23-n=8,故D正确;
故选AD.
(2)①当q≠1时,S3= eq \f(a1(1-q3),1-q)= eq \f(9,2),
又a3=a1·q2= eq \f(3,2),
∴a1(1+q+q2)= eq \f(9,2),即 eq \f(\f(3,2),q2)(1+q+q2)= eq \f(9,2),
解得q=- eq \f(1,2)(q=1舍去),∴a1=6.
②当q=1时,S3=3a1,∴a1= eq \f(3,2).
综上得 eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(a1=6,,q=-\f(1,2),))或 eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(a1=\f(3,2),,q=1.))
答案 (1)AD (2)略
题型二 等比数列前n项和性质的应用 eq \a\vs4\al(一题多解 一题多变)
[教材P32B组T2迁移](1)在各项均为正数的等比数列{an}中,若S10=10,S20=30,则S30的值为_____________;
(2)已知等比数列{an}的前4项和为1,且公比q=2,则前12项的和为______________.
[解析] (1)法一 设{an}的公比为q,显然q≠1.
由已知条件可列出方程组 eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(10=\f(a1(1-q10),1-q),,30=\f(a1(1-q20),1-q),))
两式作商得1+q10=3,所以q10=2,
所以S30= eq \f(a1(1-q30),1-q)= eq \f(a1(1-q10),1-q)(1+q10+q20)=10×(1+2+4)=70.
法二 由性质Sm+n=Sn+qn·Sm,得
S20=S10+q10S10,即30=10+10q10,
所以q10=2.
所以S30=S20+q20S10=30+40=70.
(2)因为S8-S4=a5+a6+a7+a8=q4S4=24=16,
所以S8=17.
又因为S4,S8-S4,S12-S8成等比数列,
所以(S8-S4)2=S4·(S12-S8),
即162=S12-17,所以S12=273.
[答案] (1)70 (2)273
[母题变式]
(变结论)若本例(2)条件不变,则等比数列{an}的通项公式为____________.
解析 由S4=1,q=2,得 eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(\f(a1(1-q4),1-q)=1,,q=2,))
即(24-1)a1=1,所以a1= eq \f(1,15).
所以an=a1·qn-1= eq \f(1,15)·2n-1.
答案 an= eq \f(1,15)·2n-1
[素养聚焦] 本题主要考查等比数列前n项和性质的灵活应用,突出考查数学运算、逻辑推理等核心素养.
解决有关等比数列前n项和的问题时,若能恰当地使用等比数列前n项和的相关性质,则可以避繁就简.不仅可以减少解题步骤,而且可以使运算简便,同时还可以避免对公比q的讨论.解题时把握好等比数列前n项和性质的使用条件,并结合题设条件寻找使用性质的切入点.
[触类旁通]
2.(1)(2025·天津一中期末)设Sn是等比数列{an}的前n项和,若S3=4,a4+a5+a6=6,则 eq \f(S9,S6)=( )
A. eq \f(3,2)
B. eq \f(19,10)
C. eq \f(5,3)
D. eq \f(19,6)
(2)(2025·全国一卷)若一个等比数列的各项均为正数,且前4项的和等于4,前8项的和等于68,则这个数列的公比等于____________.
解析 (1)由题意得S6=4+6=10,∵{an}是等比数列,∴S3,S6-S3,S9-S6是等比数列,∴(S9-S6)·S3=(S6-S3)2,解得S9-S6=9,∴S9=9+10=19,∴ eq \f(S9,S6)= eq \f(19,10).故选B.
(2)设等比数列为{an},其公比为q,前n项和为Sn,因为等比数列{an}的各项均为正数,所以q>0,因为S4=4,S8=68,所以S8-S4=64,因为S4,S8-S4,S12-S8,…成等比数列,且公比为q4,所以q4= eq \f(S8-S4,S4)= eq \f(64,4)=16,又q>0,所以q=2.
答案 (1)B (2)2
题型三 等比数列前n项和的综合应用
记Sn为等比数列{an}的前n项和,已知S2=2,S3=-6.
(1)求{an}的通项公式;
(2)求Sn,并判断Sn+1,Sn,Sn+2是否成等差数列.
[解析] (1)设公比为q,因为S2=2,S3=-6,
所以S3-S2=a3=-6-2=-8,
又S2=a1+a2=2,可得q2+4q+4=0,
所以q=-2.又a3=a1q2=-8,所以a1=-2,
所以an=a1qn-1=(-2)n.
(2)由(1)得Sn= eq \f(a1(1-qn),1-q)= eq \f(-2[1-(-2)n],1-(-2))
= eq \f(2,3)[(-2)n-1],
则Sn+1= eq \f(2,3)[(-2)n+1-1],
Sn+2= eq \f(2,3)[(-2)n+2-1],
所以Sn+1+Sn+2
= eq \f(2,3)[(-2)n+1-1]+ eq \f(2,3)[(-2)n+2-1]
= eq \f(2,3)[2(-2)n-2]= eq \f(4,3)[(-2)n-1],
又2Sn= eq \f(4,3)[(-2)n-1],即Sn+1+Sn+2=2Sn,
所以Sn+1,Sn,Sn+2成等差数列.
等比数列前n项和的应用技巧
(1)求和时注意利用定义判断数列是否为等比数列,确定首项与公比是关键.
(2)等比数列的前n项和的应用往往结合等差数列的项的性质,要综合应用数列知识解题.
[触类旁通]
3.(2025·烟台高二月考)已知数列{an}和{bn}满足a1=1,b1=0,4an+1=3an-bn+4,4bn+1=3bn-an-4.
(1)证明:{an+bn}是等比数列,{an-bn}是等差数列;
(2)求{an}和{bn}的通项公式.
(1)证明 由题设,知 eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(4an+1=3an-bn+4,,4bn+1=3bn-an-4.))
两式相加得4(an+1+bn+1)=2(an+bn),
即an+1+bn+1= eq \f(1,2)(an+bn).
又因为a1+b1=1,所以{an+bn}是首项为1,公比为 eq \f(1,2)的等比数列.
由题设两式相减得4(an+1-bn+1)=4(an-bn)+8,
即an+1-bn+1=an-bn+2.
又a1-b1=1,
所以{an-bn}是首项为1,公差为2的等差数列.
(2)解析 由(1)知,an+bn= eq \f(1,2n-1),
an-bn=2n-1.
所以an= eq \f(1,2)[(an+bn)+(an-bn)]= eq \f(1,2n)+n- eq \f(1,2),
bn= eq \f(1,2)[(an+bn)-(an-bn)]= eq \f(1,2n)-n+ eq \f(1,2).
[缜密思维提能区] 易错案例
忽视等比数列的前n项和公式应用的条件致误
[典例] 求数列1,2a,4a2,8a3,…的前n项和Sn.
[错解] 该数列是首项为1,公比为2a的等比数列,所以其前n项和Sn= eq \f(1-(2a)n,1-2a).
[正解] (1)当a=0时,易得数列的前n项和Sn=1.
(2)当a≠0时,数列是公比为2a的等比数列.
若2a=1,即a= eq \f(1,2),这时数列为常数列,
Sn=n×1=n;
若2a≠1,即a≠ eq \f(1,2),其前n项和Sn= eq \f(1-(2a)n,1-2a).
又当a=0时,Sn=1,适合Sn= eq \f(1-(2a)n,1-2a),
故Sn= eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(\f(1-(2a)n,1-2a),a≠\f(1,2),,n,a=\f(1,2).))
[纠错心得] 等比数列与等差数列相比,具有更多的特殊性.例如,等比数列中的任何一项均不能为零;等比数列的求和公式中,要分q=1和q≠1两种情况分别求解.因此当数列中的项含有字母时,要注意分类讨论.
知识落实
技法强化
(1)等比数列前n项和公式的推导及性质.
(2)等比数列前n项和公式的基本运算及综合应用.
(1)应用前n项和公式要注意分类讨论,即当q≠1和q=1时是不同的公式形式,不可忽略q=1的情况.
(2)应用等比数列前n项和的性质要注意整体思想的应用.
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