内容正文:
第1课时 等差数列的前n项和公式
第一章 §2 2.2 等差数列的前n项和
学习目标
1.探索并掌握等差数列的前n项和公式,理解等差数列的通项公式与前n项和公式的关系,提升数学运算、逻辑推理的核心素养.
2.能利用等差数列的前n项和公式解决一些简单的与前n项和有关的计算问题,提升数学运算的核心素养.
3.能在具体的问题情境中,发现数列的等差关系,并解决相应的实际问题,提升数学建模的核心素养.
内容索引
任务一 等差数列的前n项和公式
1
任务二 Sn与an的关系
2
任务三 等差数列前n项和的实际应用
3
课时分层评价
5
随堂评价
4
任务一 等差数列的前n项和公式
返回
问题1.请同学们欣赏唐代诗人张南史的《花》并回答下面的问题:
花, 花.
深浅, 芬葩.
凝为雪, 错为霞.
莺和蝶到, 苑占宫遮.
已迷金谷路, 频驻玉人车.
芳草欲陵芳树, 东家半落西家.
愿得春风相伴去, 一攀一折向天涯.
从数学的角度来看,这首诗有什么特点?这首诗的内容一共有多少个字?
提示:诗中文字有对称性;S=2+4+6+8+10+12+14=2×(1+2+3+4+5+6+7),根据对称性,可先取其一半来研究.其数的个数较少,大家很容易求出答案.
问题导思
问题2.网络时代与唐代不同的是,宝塔诗的句数不受限制,如图,
从第1行到第n行一共有多少个字?(图中黑点代表字)
提示:法一:对项数分奇数、偶数讨论,认清当项数为奇数时,
通过“落单”中间一项或最后一项,转化成项数为偶数来研究.
通过计算发现,无论项数是奇数还是偶数,结果都是S=,可见,结果与项数的奇偶无关.
法二:(如图)在原式的基础上,再加一遍1+2+3+…+n,
即S=1+2+3+…+n,S=n+(n-1)+(n-2)+…+1,
避免了分类讨论,我们把这种求和的方法称为“倒序相加
法”,其本质还是配对,将2n个数重新分组配对求和.
问题3.对于一般的等差数列{an},设其首项为a1,公差为d.如何求其前n项和Sn?
提示:倒序相加法
⇒
两式相加可得2Sn=n(a1+an),即Sn=,上述过程实际上用到了等差数列性质里面的首末“等距离”的两项的和相等.
等差数列前n项和公式
新知构建
已知量 首项、末项与项数 首项、公差与项数
选用公式 Sn= Sn=na1+d
(1)第一个公式反映了等差数列的性质,任意第k项与倒数第k项的和都等于首末两项之和.(2)由第二个公式知,当d=0时,Sn=na1;当d≠0时,等差数列的前n项和Sn是关于n的没有常数项的“二次函数”.
(3)公式里的n表示的是所求等差数列的项数.
微提醒
在等差数列{an}中,公差为d,前n项和为Sn.
(1)已知a1=,S4=20,求S6;
解:S4=4a1+d=4a1+6d=2+6d=20,所以d=3.
故S6=6a1+d=6a1+15d=3+45=48.
典例
1
(2)已知a3=16,S20=20,求S10;
解:由题意得
解得
所以S10=10×20+=200-90=110.
(3)已知a1=,d=-,Sn=-15,求n及a12;
解:因为Sn=n·+·=-15,
整理得n2-7n-60=0,
解得n=12或n=-5(舍去),
所以a12=+(12-1)×=-4.
(4)已知a14=10,求S27.
解:因为a14=10,a1+a27=2a14,
所以S27==27a14=270.
等差数列前n项和公式应用的关注点
1.在运用等差数列的前n项和公式来求和时,一般地,若已知首项a1及末项an用公式Sn=较简便;若已知首项a1及公差d用公式Sn=na1+d较好.
2.在运用公式Sn=求和时,要注意性质“m,n,p,q∈N+且m+n=p+q⇒am+an=ap+aq”的运用.
3.构成等差数列前n项和公式的元素有a1,d,n,an,Sn,知其三能求余二.
规律方法
对点练1.在等差数列{an}中:
(1)已知a3=6,S20=-180,求S10;
解:设等差数列{an}的公差为d,
则
所以S10=10×10+=100-90=10.
(2)已知a1+a2+a3+a4=40,++an-1+an=80,Sn=210,求项数n.
解:因为a1+a2+a3+a4=40,++an-1+an=80,
所以4(a1+an)=40+80,即a1+an=30.
又因为Sn==210,
所以n==14.
返回
任务二 Sn与an的关系
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问题4.等差数列(公差不为0)的前n项和Sn能写成关于n的二次函数吗?
提示:可以;Sn=na1+=n2+n.
问题5.数列{an}的前n项和为Sn,那么Sn与Sn-1(n≥2)有何关系呢?
提示:an=Sn-Sn-1(n≥2).
问题导思
数列中an与Sn的关系
对于一般数列{an},设其前n项和为Sn,则有an=__________________.
新知构建
(1)上述关系对任何数列都适用.(2)若在由an=Sn-Sn-1(n≥2)求得的通项公式中,令n=1求得a1与利用a1=S1求得的a1相同,则说明an=Sn-Sn-1(n≥2)所得通项公式也适合n=1的情况,数列的通项公式用an=Sn-Sn-1表示.若在由an=Sn-Sn-1(n≥2)求得的通项公式中,令n=1求得的a1与利用a1=S1求得的a1不相同,则说明an=Sn-Sn-1(n≥2)所得通项公式不适合n=1的情况,则数列的通项公式采用分段形式.
微提醒
若数列{an}的前n项和Sn=2n2-3n-1,求数列{an}的通项公式,并判断数列{an}是否是等差数列.若是,请证明;若不是,请说明理由.
解:因为Sn=2n2-3n-1,①
当n=1时,a1=S1=2-3-1=-2,
当n≥2时,Sn-1=2-3-1,②
①-②得an=Sn-Sn-1=2n2-3n-1-[2-3-1]=4n-5,
经检验,当n=1时,an=4n-5不成立.
故an=
故数列{an}不是等差数列,数列{an}是从第二项起以4为公差的等差数列.
典例
2
变式探究
(变条件,变设问)本例若把数列{an}的前n项和变为Sn=2n2+3n,求这个数列的通项公式.这个数列是等差数列吗?如果是,它的首项与公差分别是什么?
解:当n=1时,a1=S1=5,
当n≥2时,an=Sn-Sn-1=(2n2+3n)-[2(n-1)2+3(n-1)]=4n+1.
又a1=5适合上式,
所以an=4n+1,n∈N+.
故数列{an}是等差数列,它的首项是a1=5,公差是d=4.
在等差数列{an}中,若d≠0,则Sn可写成关于n的二次函数形式,反之,若Sn=An2+Bn,那么数列{an}一定是等差数列.
规律方法
对点练2.已知数列{an}的前n项和为Sn,且满足log2(Sn+1)=n+1,求数列{an}的通项公式.
解:由已知条件,可得Sn+1=2n+1,
则Sn=2n+1-1.
当n=1时,a1=S1=3,
当n≥2时,an=Sn-Sn-1=(2n+1-1)-(2n-1)=2n.
又当n=1时,3≠21,
故an=
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任务三 等差数列前n项和的实际应用
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一支车队有15辆车,某天下午依次出发执行运输任务.第一辆车于14时出发,以后每间隔10分钟发出一辆车.假设所有的司机都连续开车,并都在18时停下来休息.
(1)截止到18时,最后一辆车行驶了多长时间?
解:第一辆车出发时间为14时,每辆车的间隔时间为10分钟,即为小时,
所以每辆车出发的时间成等差数列{an},且首项a1=14,公差d=,
则第15辆车出发的时间为a15=a1+(15-1)×=14+=,
所以第15辆车行驶的时间为18-=小时,
即1小时40分钟.
典例
3
(2)如果每辆车行驶的速度都是60千米/时,这个车队当天一共行驶了多少千米?
解:设每辆车行驶的时间构成等差数列,设为{bn},
由题意可得{bn}构成首项为b1=4,公差为d=-的等差数列,
则15辆车行驶的时间的和为S15=15×4+×=小时,
所以行驶的总里程为S=×60=2 550千米.
即车队当天一共行驶了2 550千米.
应用等差数列解决实际问题的一般思路
规律方法
对点练3.某地为了防止水土流失,植树造林,绿化荒沙地,每年比上一年多植相同公顷数的林木,但由于自然环境和人为因素的影响,每年都有相同公顷数的土地沙化,具体情况如下表所示:
而一旦植完,则不会被沙化.
(1)每年沙化的土地公顷数为多少?
2021年 2022年 2023年
新植公顷数 1 000 1 400 1 800
沙地公顷数 25 200 24 000 22 400
解:依题意,每年比上一年多造林400公顷,其中2022年新植1 400公顷,
故当年沙地为25 200-1 400=23 800(公顷),
而实际沙地面积为24 000公顷,
所以2022年沙化土地面积为24 000-23 800=200(公顷),
同理可得2023年沙化土地面积也为200公顷,
所以每年沙化的土地面积为200公顷.
(2)到哪一年可绿化完全部荒沙地?
解:设2023年及其以后各年的造林面积分别为a1,a2,a3,…,an,
则an=1 800+(n-1)×400=400n+1 400,
所以n年造林的面积总和为Sn=1 800n+×400.
由(1)知,每年林木的“有效面积”应比实际面积少200公顷,
依题意可得Sn-200n≥24 000,
化简得n2+7n-120≥0,
又n∈N+,故解得n≥8,
即到2030年可绿化完全部荒沙地.
2021年 2022年 2023年
新植公顷数 1 000 1 400 1 800
沙地公顷数 25 200 24 000 22 400
[教材拓展2] 倒序相加法求和(源于教材P16-抽象概括)
(1)在推导等差数列前n项和的过程中,我们使用了倒序相加的方法,类比可以求得sin21°+sin22°+…+sin289°=______.
令S=sin21°+sin22°+…+sin289°,则S=sin289°+sin288°+…+sin21°,两式相加可得2S=++…+=+(sin22°+cos22°)+…+=89,所以S=,即sin21°+sin22°+…+sin289°=.
(2)德国数学家高斯被认为是世界上最重要的数学家之一,享有“数学王子”的美誉.他幼年时就表现出超人的数学天赋,10岁时,他在进行1+2+…+100的求和运算时,就提出了倒序相加的原理,该原理基于所给数据前后对应项的和呈现一定的规律生成.已知某数列通项an=,则a1+a2+…+a2 025=_________.
2 025
因为an+a2 026-n=+==2,所以a1+a2 025=a2+a2 024=…=a1 012+a1 014=2a1 013=2,因此a1+a2+…+a2 025=
1 012×2+1=2 025.
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课堂小结
任务
再现 1.等差数列前n项和及其计算公式.2.由Sn与an的关系求an.3.等差数列前n项和在实际问题中的应用
方法
提炼 函数与方程思想、倒序相加法、整体思想
易错
警示 由Sn求通项公式时忽略对n=1的讨论
随堂评价
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1.若等差数列{an}的前5项和S5=25,且a2=3,则a7等于
A.12 B.13
C.14 D.15
√
因为S5==5a3=25,所以a3=5,所以d=a3-a2=5-3=2,所以a7=a2+5d=3+10=13.故选B.
2.(2023·全国甲卷)记Sn为等差数列{an}的前n项和.若a2+a6=10,a4a8=45,则S5=
A.25 B.22
C.20 D.15
√
法一:设等差数列{an}的公差为d,首项为a1,依题意可得,a2+a6=a1+d+a1+5d=10,即a1+3d=5,又a4a8=(a1+3d)(a1+7d)=45,解得d=1,a1=2,所以S5=5a1+×d=5×2+10=20.故选C.
法二:a2+a6=2a4=10,a4a8=45,所以a4=5,a8=9,从而d==1,于是a3=a4-d=5-1=4,所以S5=5a3=20.故选C.
3.(数学文化)朱世杰是历史上最伟大的数学家之一,他所著的《四元玉鉴》卷中“如象招数”五问中有如下问题:“今有官司差夫一千八百六十四人筑堤,只云初日差六十四人,次日转多七人.”其大意为“官府陆续派遣1 864人前往修筑堤坝,第一天派出64人,从第二天开始每天派出的人数比前一天多7人.”在该问题中的1 864人全部派遣到位需要的天数为
A.9 B.16
C.18 D.20
√
根据题意设每天派出的人数组成数列{an},分析可得数列是首项a1=64,公差d=7的等差数列,设该问题中的1 864人全部派遣到位的天数为n,则64n+×7≥1 864,且n为满足条件的最小正整数.依次将选项中的n值代入检验得,n=16满足题意.故选B.
4.已知数列{an}满足前n项和Sn=n2-3n+3,则{an}的通项公式为
____________________.
an=
根据已知条件知,当n=1时,a1=S1=1-3+3=1;当n≥2时,an=Sn-Sn-1=n2-3n+3-(n-1)2+3(n-1)-3=2n-4(n=1不适合).综上,an=
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课时分层评价
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1.已知数列{an}中,a1=1,an=an-1+(n≥2,n∈N+),则数列{an}的前9项和等于
A.27 B.
C.45 D.-9
√
由已知得数列{an}是以1为首项,以为公差的等差数列,所以S9=9×1+×=9+18=27.故选A.
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2.在等差数列{an}中,已知a1=10,d=2,Sn=580,则n等于
A.10 B.15
C.20 D.30
√
因为Sn=na1+n(n-1)d=10n+n(n-1)×2=n2+9n,所以n2+9n=580,解得n=20或n=-29(舍去).故选C.
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3.在等差数列{an}中,S10=4S5,公差d≠0,则等于
A. B.2
C. D.4
√
由题意得10a1+×10×9d=4(5a1+×5×4d),所以10a1+45d=20a1+40d,所以10a1=5d,所以=.故选A.
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4.在小于100的自然数中,所有被7除余2的数之和为
A.765 B.665
C.763 D.663
√
由题意知a1=2,d=7,2+(n-1)×7<100,所以n<15,所以n=14,S14=14×2+×14×13×7=665.故选B.
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5.在等差数列{an}中,已知a1=-12,S13=0,则使得an>0的最小正整数n为
A.7 B.8
C.9 D.10
√
由S13==0,得a13=12,则a1+12d=12,得d=2,所以数列{an}的通项公式为an=-12+(n-1)×2=2n-14,由2n-14>0,得n>7,即使得an>0的最小正整数n为8.故选B.
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6.(数学文化)(多选题)我国古代数学著作《算法统宗》中有如下问题:“今有善走者,日增等里,首日行走一百里,九日共行一千二百六十里,问日增几何?”其大意是:现有一位善于步行的人,第一天行走了一百里,以后每天比前一天多走d里,九天他共行走了一千二百六十里,求d的值.关于该问题,下列结论正确的有
A.d=15
B.此人第三天行走了一百二十里
C.此人前七天共行走了九百里
D.此人前八天共行走了一千零八十里
√
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设此人第n天走an里,则数列{an}是公差为d的等差数列.记数列{an}的前n项和为Sn,由题意可得解得d=10,所以a3=a1+2d=120,S7=7a1+d=910,S8=8a1+d=1 080,故选BD.
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7.已知数列{an}的前n项和Sn=-2n2+5n,则an=__________.
-4n+7
当n=1时,a1=S1=3;当n≥2时,an=Sn-Sn-1=-2n2+5n-[-2(n-1)2+5(n-1)]=-4n+7,当n=1时,a1=3也适合an=-4n+7.综上,an=-4n+7.
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8.在等差数列{an}中,前五项之和为10,最后五项之和为90,前n项之和为180,则项数n=_______.
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因为a1+a2+a3+a4+a5=10,an+an-1+++=90,所以(a1+a2+a3+a4+a5)+(an+an-1+++)=100,所以5(a1+an)=100,即a1+an=20.因为a1+a2+…+an-1+an===180,所以n=18.
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9.(新情境)《莱茵德纸草书》是世界上最古老的数学著作之一,其中一道题目的背景是这样的:把100片面包分给5个人,使每个人分得的面包数成等差数列,且使较大的三个数之和的是较小的两个数之和,若将这5个数从小到大排列成递增的等差数列,则该数列的公差为_______.
设5个数从小到大排列所成的等差数列为{an},公差为d,则=a1+a2,S5=100,所以
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10.(13分)已知等差数列{an}的前三项为a-1,4,2a,记前n项和为Sn.
(1)设Sk=2 550,求a和k的值;
解:由已知得,2×4=a-1+2a,解得a=3,所以a1=2,公差d=a2-a1=2.
因为Sk=2 550,所以2k+×2=2 550,即k2+k-2 550=0,
解得k=50或k=-51(舍去),所以a=3,k=50.
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(2)设bn=,求b3+b7+b11+…+b4n-1的值.
解:由(1)知,Sn=2n+×2=n2+n,bn===n+1.
又b3,b7,b11,…,b4n-1仍是等差数列,且共有n项,
所以b3+b7+b11+…+b4n-1===2n2+2n.
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11.南京市地铁S8号线经扩建后于2022年国庆当天正式运行,从起点站长江大桥北站到终点站金牛湖站总行程大约为51.3千米,小张是陕西来南京游玩的一名旅客,从起点站开始,他利用手机上的里程表测出前两站的距离大约为2千米,以后每经过一站里程约增加0.1千米,据此他测算出本条地铁线路的站点(含起始站与终点站)数一共有
A.18个 B.19个 C.21个 D.22个
√
由题意设前两站的距离为a1千米,第二站与第三站之间的距离为a2千米,…,第n站与第n+1站之间的距离为an千米,则{an}是等差数列,且首项a1=2,公差d=0.1,则Sn=2n+×0.1=51.3,解得n=18,则站点数一共有19个.故选B.
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12.(多选题)已知Sn是等差数列{an}的前n项和,下列选项中可能是Sn的图象的是
√
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因为Sn是等差数列{an}的前n项和,所以Sn=an2+bn(a,b为常数,n∈N+),则其对应函数为y=ax2+bx.当a=0时,该函数的图象是过原点的直线上一些孤立的点,如选项C;当a≠0时,该函数的图象是过原点的抛物线上一些孤立的点,如选项A、B;选项D中的曲线不过原点,不符合题意.故选ABC.
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13.风雨桥(如图①所示)是侗族最具特色的民间建筑之一.风雨桥由桥、塔、亭组成.其中亭、塔的俯视图通常是正方形、正六边形或正八边形.图②是某风雨桥亭的大致俯视图,其中正六边形的边长的计算方法如下:A1B1=A0B0-B0B1,A2B2=A1B1-B1B2,…,AnBn=An-1Bn-1-Bn-1Bn,其中B3B4=B2B3=B1B2=B0B1,n∈N+.已知该风雨桥亭共5层,若A0B0=
8 m,B0B1=0.5 m,则图②中的五个正六边形的周长总和为__________.
210 m
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由已知得AnBn=An-1Bn-1-Bn-1Bn(n≤4且n∈N+),B3B4=B2B3=B1B2=B0B1=0.5 m,易知图②中五个正六边形的边长(单位:m)构成以a1=8为首项,d=-0.5为公差的等差数列.设数列的前5项和为S5,则S5=5a1+×5×4×d=5×8-×5×4×0.5=35,所以图②中的五个正六边形的周长总和为6S5=6×35=210 m.
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14.(15分)已知公差大于零的等差数列{an}的前n项和为Sn,且满足a2a4=65,a1+a5=18.
(1)求数列{an}的通项公式;
解:设等差数列{an}的公差为d,且d>0,由a2a4=65,a1+a5=18,
得
所以an=1+4(n-1)=4n-3.
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(2)是否存在常数k,使得数列{}为等差数列?若存在,求出常数k;若不存在,请说明理由.
解:由(1)得Sn=·n=n(2n-1).
假设存在常数k,使得数列为等差数列,
则,,成等差数列,
所以2=+,
即2=+,解得k=1,
可得==n.
当n≥2时,n-(n-1)=为常数,
所以数列为等差数列,
故存在常数k=1,使得数列为等差数列.
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15.(5分)已知正项数列{an}的前n项和为Sn,且4Sn=,则a2 026=
A.4 047 B.4 049
C.4 051 D.4 053
√
因为4Sn=(an+1)2①,所以当n≥2时,4Sn-1=(an-1+1)2②,①-②得4an=-+2an-2an-1,2(an+an-1)=(an+an-1)(an-an-1).因为an>0,所以an+an-1>0,所以an-an-1=2.又当n=1时,4S1=(a1+1)2,解得a1=1,所以{an}是首项为1,公差为2的等差数列,则an=2n-1,所以a2 026=2×2 026-1=4 051.故选C.
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16.(17分)某仓库有同一型号的圆钢600根,堆放成如图所示的形状,从第二层开始,每一层比下面一层少放一根,而第一层至少要比第二层少一根,要使堆垛的占地面积最小(即最下面一层根数最少),则最下面一层放几根?共堆了多少层?
解:设最下面一层放n根,则最多可堆n层,
则1+2+3+…+n=≥600,
所以n2+n-1 200≥0,记f(n)=n2+n-1 200.
因为当n∈N+时,f(n)单调递增,
而f(35)=60>0,f(34)=-10<0,
所以n≥35,因此最下面一层最少放35根.
因为1+2+3+…+35=630,
所以最多可堆放630根,必须去掉上面30根,去掉顶上7层,共1+2+3+…+7=28(根),再去掉顶上第8层的2根,剩下的600根共堆了28层.
故最下面一层放35根,共堆了28层.
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谢 谢 观 看
第1课时 等差数列的前n项和公式
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