第4章 4.2.2 第1课时 等差数列的前n项和公式-【金版新学案】2026-2027学年高中数学选择性必修第二册同步课堂高效讲义教师用书Word(人教A版)
2026-09-09
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教辅
摘要:
本讲义聚焦高中数学等差数列前n项和公式核心知识点,从高斯算法实例切入,通过倒序相加法推导公式,衔接通项公式与前n项和关系,延伸至前n项和的二次函数特性及{|aₙ|}的求和,构建从特殊到一般、从公式到应用的学习支架。
资料以问题驱动探究,如高斯算法问题培养逻辑推理,例题结合性质法与基本量法提升数学运算,函数特性分析渗透数学抽象。课中助力教师引导学生建立知识联系,课后通过分层练习和易错警示,帮助学生巩固提升、查漏补缺。
内容正文:
4.2.2 等差数列的前n项和公式
第1课时 等差数列的前n项和公式
学习目标
1.探索并掌握等差数列的前n项和公式,并能熟练应用公式进行有关计算,提升逻辑推理、数学运算的核心素养.
2.理解等差数列的通项公式与前n项和公式的关系,体会从特殊到一般的思想方法,培养数学抽象、逻辑推理的核心素养.
3.掌握等差数列的前n项和公式与二次函数的关系及应用,提升逻辑推理、数学运算的核心素养.
任务一 等差数列的前n项和公式
(阅读教材P18—21,完成探究问题1、2)
问题1.据说,200多年前,高斯的算术老师提出了一个问题:1+2+3+4+…+100=?
当其他同学忙于把100个数逐项相加时,10岁的高斯却用下面的方法迅速算出了正确答案:
(1+100)+(2+99)+…+(50+51)=101×50=5 050.你能说说高斯在求和过程中利用了数列的什么性质吗?
提示:对于上述数列,设an=n,那么高斯的计算方法可以表示为(a1+a100)+(a2+a99)+…+(a50+a51)=101×50=5 050,可以发现,高斯在计算中利用了a1+a100=a2+a99=…=a50+a51,这就是上一节学过的性质的应用,它使不同数的求和问题转化为相同数(即101)的求和,从而简化了运算.
问题2.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:利用高斯算法.
⇒
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.
等差数列的前n项和公式
等差数列
的前n项
和公式
Sn=或Sn=na1+d
推导方法
倒序相加法
推导
过程
设等差数列的前n项分别为a1,a2,a3,…,,,an,
Sn=a1+a2+a3+…+++an①,
又Sn=an+++…+a3+a2+a1②.
①②两边分别相加,得2Sn=(a1+an)+(a2+an-1)+(a3+an-2)+…+(an-1+a2)+(an+a1)=(a1+an)+(a1+an)+(a1+an)+…+(a1+an)=n(a1+an),所以Sn=
[微思考] 对于这两个求和公式,各有怎样的特点?
提示:公式Sn=反映了等差数列中的前n项和与a1,an,n的关系;公式Sn=na1+d反映了等差数列中的前n项和与a1,d,n的关系.
(链教材P21例6)已知数列 是等差数列.
(1)若a6=10,S5=5,求a1和Sn;
(2)若a1=,d=-,Sn=-15,求n及a12;
(3)若a1=-2 024,S6-2S3=18,求d,;
(4)若a1+a2+a3+a4=40,+++an=80,Sn=210,求n.
解:(1)
所以Sn=na1+d=-5n+×3=n2-n.
(2)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.
(3)设等差数列{an}的公差为d.
因为a1=-2 024,S6-2S3=18,
所以6a1+·d-6a1-2×·d=18,
整理可得9d=18,解得d=2.
则=2 026×(-2 024)+×2=2 026.
(4)因为a1+a2+a3+a4=40,+++an=80,
所以4(a1+an)=40+80,即a1+an=30.
又因为Sn==210,所以n==14.
等差数列前n项和有关的基本计算方法与技巧
1.公式法(基本量法):等差数列的通项公式和前n项和公式中有五个量Sn,n,a1,an,d,这五个量可以“知三求二”,一般是利用公式列出基本量a1和d的方程组,解出a1和d,便可解决问题.
2.性质法:等差数列前n项和Sn=与等差数列性质“若m+n=p+q,m,n,p,q∈N+,则am+an=ap+aq”经常结合起来使用,使这类问题的解决更具灵活性.
[注意] 解题时要注意整体代换的思想.
对点练1.在等差数列{an}中,a10=30,a20=50.
(1)求数列的通项公式;
(2)若Sn=242,求n.
解:(1)设数列{an}的首项为a1,公差为d.
则
解得
所以an=a1+(n-1)d=12+(n-1)×2=10+2n.
(2)由Sn=na1+d以及a1=12,d=2,Sn=242,
得方程242=12n+×2,
即n2+11n-242=0,
解得n=11,或n=-22(舍去).
故n=11.
任务二 等差数列的前n项和的函数特性
(阅读教材P22,完成探究问题3)
问题3.在等差数列的前n项和Sn=na1+d中,Sn与n是以前学过的哪一个函数关系?
提示:等差数列前n项和Sn=na1+d整理得,Sn=n2+(a1-)n.当d=0,a1≠0时,Sn=na1,Sn是关于n的一次函数;当d≠0时,Sn是关于n的二次函数.
等差数列{an}的前n项和公式具有“二次函数”结构,可以写成Sn=An2+Bn,数列{an}的公差为2A.
特别地,当A=0时,数列{an}是常数列.
[微提醒] Sn=An2+Bn+C,若C=0,则数列{an}是等差数列,此时首项为A+B,公差为2A.若C≠0,则数列{an}不是等差数列.
若数列{an}的前n项和Sn=2n2-3n,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:当n=1时,a1=S1=-1;
当n≥2时,an=Sn-
=2n2-3n-2(n-1)2+3(n-1)=4n-5,
经检验,当n=1时,a1=-1满足上式,
故an=4n-5.
数列{an}是等差数列,证明如下:
因为-an=4(n+1)-5-4n+5=4,
所以数列{an}是等差数列.
[变式探究] (变条件)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-1①,
当n=1时,a1=S1=2-3-1=-2,
当n≥2时,=2-3-1②,
①-②得an=Sn-
=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.
1.利用等差数列前n项和公式判定等差数列的步骤
第一步:由Sn求an;
第二步:判定an-an-1(n≥2)是否是同一个常数.
即若数列{an}的前n项和Sn=An2+Bn+C,当C=0,{an}为等差数列;当C≠0,{an}不是等差数列.
2.给出等差数列前n项和Sn与第n项an之间的关系式,判断an为等差数列的常见做法是:用n-1代换n,得到另一个等式,然后求它与已知等式的差,消掉S符号,只留下a符号,可以得到一个递推等式,根据递推等式就可以判断数列是否为等差数列.
对点练2.已知数列{an}的前n项和为Sn=kn2-2n(k∈R).
(1)求证:数列{an}为等差数列;
(2)若数列{an}为递增数列,求实数k的取值范围.
解:(1)证明:当n=1时,a1=S1=k×12-2×1=k-2.
当n≥2时,an=Sn-Sn-1=kn2-2n-[k(n-1)2-2(n-1)]=2kn-(k+2).
因为n=1也适合上式,
所以数列{an}的通项公式为an=2kn-(k+2).
因为当n≥2时,an-an-1=2kn-(k+2)-[2k(n-1)-(k+2)]=2k,
所以{an}是以2k为公差的等差数列.
(2)若数列{an}为递增数列,则由(1)知,公差2k>0,所以k>0,即实数k的取值范围是(0,+∞).
任务三 数列{|an|}的前n项和
(2023·全国乙卷)记Sn为等差数列{an}的前n项和,已知a2=11,S10=40.
(1)求{an}的通项公式;
(2)求数列{|an|}的前n项和Tn.
解:(1)设等差数列的公差为d,
由题意可得
即
所以an=13-2(n-1)=15-2n.
(2)因为Sn==14n-n2,
令an=15-2n>0,解得n<,且n∈N*,
当n≤7时,则an>0,可得Tn=|a1|+|a2|+…+|an|=a1+a2+…+an=Sn=14n-n2;
当n≥8时,则an<0,可得Tn=|a1|+|a2|+…+|an|=(a1+a2+…+a7)-(a8+…+an)
=S7-(Sn-S7)=2S7-Sn=2×(14×7-72)-(14n-n2)=n2-14n+98.
综上所述,Tn=
求数列{|an|}的前n项和的步骤
第一步:确定通项公式an;
第二步:根据通项公式确定数列{an}中项的符号,即判断数列{an}是先负后正,还是先正后负;
第三步:去掉数列{|an|}中各项的绝对值,转化为{an}的前n项和求解,转化过程中有时需添加一部分项,以直接利用数列{an}的前n项和公式;
第四步:将{|an|}的前n项和写成分段函数的形式.
对点练3.已知数列的前n项和为Sn,若Sn=2n2-19n.
(1)求证:数列是等差数列;
(2)若bn=|an|,求数列的前n项和Tn.
解:(1)证明:因为Sn=2n2-19n①,
所以n≥2时,Sn-1=2(n-1)2-19(n-1)=2n2-23n+21②,
由①②相减可得,an=4n-21,n≥2,
当n=1时,an=4n-21也满足题意,
故的通项公式为an=4n-21.
所以n≥2时,an-1=4(n-1)-21=4n-25,所以n≥2时,an-an-1=4总成立,
所以数列是等差数列.
(2)因为bn=,所以Tn=+++…+,
当an=4n-21<0时,n≤5;当an=4n-21>0时,n≥6.
由(1)中结论可知,当n≤5时,Tn=-a1-a2-…-an=-Sn=-2n2+19n;
当n≥6时,Tn=-S5+=Sn-2S5=2n2-19n+90,
从而Tn=
[教材拓展3] 倒序相加法求和(源于教材P18—20)
倒序相加法又叫高斯算法
(1)实质:倒序相加法的识别特征是“首尾型”,一般需要对条件进行转化获得“首尾两项的和为定值”.
以等差数列为例,顺序书写为Sn=a1+a2+…+an ①,
倒序书写为Sn=an+an-1+…+a1 ②,①②相加得2Sn=(a1+an)+(a2+an-1)+…+(an+a1)=n[2a1+(n-1)d](本质为转化为常数列求和),所以Sn=na1+d.
(2)适用范围:数列{an}中,与首尾两端等距离的两项的和相等,即数列满足ak+an-k+1=常数时,就可以利用倒序相加法求和.此式体现函数的对称性,即若函数f(x)的图象关于点(a,b)中心对称,则f(x)+f(2a-x)=2b,实质是一样的,也就是说倒序相加法实际上是一次函数图象中心对称性的反映.此道理还可推广到凡如下形式的对偶式都可以利用:
常用的对偶量
①在等差数列{an}中:m+n=p+q⇒am+an=ap+aq;
②sin2x+sin2(-x)=1;
③f(x)=或或⇒f(x)+f()=1;
④f(x)=(b>0,且b≠1)⇒f(x)+f(1-x)=1.
(1)(2026·江苏南通期中)在进行1+2+3+…+100的求和运算时,德国大数学家高斯提出了倒序相加法的原理,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,因此,此方法也称之为高斯算法.已知数列满足an=(n,m∈N*),则a1+a2+…+am+2 024=( )
A.+506 B.+506
C.m+506 D.2m+506
(2)已知函数f(x)满足f(x)+f(1-x)=1,若数列{an}满足an=f(0)+f()+f()+…+f()+f(1),则数列{an}的前20项和为( )
A.100 B.105
C.110 D.115
(3)已知函数f(x)=,则f()+f()+…+f()+f(1)+f(2)+…+f(8)+f(9)= .
答案:(1)B (2)D (3)
解析:(1)依题意,记S=a1+a2+…+am+2 024,则S=++…++,又S=++…++,两式相加可得2S=++…++=×(m+2 024)=,则S==+506.故选B.
(2)an=f(0)+f()+f()+…+f()+f(1) ①,则an=f(1)+f()+f()+…+f()+f(0) ②.因为f(x)+f(1-x)=1,所以①+②可得2an=n+1,即an=,所以数列{an}是首项为1,公差为的等差数列,其前20项和为=115.故选D.
(3)因为f(x)=,所以f(x)+f()=+=+=1.设f()+()+…+f()+f(1)+f(2)+…+f(8)+f(9)=m ①,则f(9)+f(8)+…+f(2)+f(1)+f()+…+f()+()=m②,①+②得,[f()+f(9)]+[f()+f(8)]+…+[f()+f(2)]+[f(1)+f(1)]+[f(2)+f()]+…[f(8)+f()]+[f(9)+f()]=2m,所以2m=17,所以m=.
任务
再现
1.等差数列的前n项和公式.2.等差数列的前n项和的函数特性.3.数列{|an|}的前n项和
方法
提炼
倒序相加法、分类讨论的思想、公式法(基本量法)、巧用性质法、方程思想、函数思想
易错
警示
由Sn求通项公式时忽略对n=1的讨论;求{|an|}的前n项和时,一是易忽视分类讨论,二是最后结果未分段表示
1.已知等差数列{an}的首项a1=6,公差d=3,则S10等于( )
A.195 B.198 C.201 D.207
答案:A
解析:由已知得S10=10×6+×3=195.故选A.
2.已知等差数列4,3,2,1,…前n项的和Sn=-18,则n等于( )
A.8 B.9 C.10 D.12
答案:D
解析:记该等差数列为{an},则公差d=-1,a1=4,令-18=n×4+×(-1),解得n=12或n=-3(舍去).故选D.
3.(多选)记Sn为等差数列{an}的前n项和.若a4+a5=24,S6=48,则下列正确的是( )
A.a1=-2 B.a1=2
C.d=4 D.d=-4
答案:AC
解析:因为故选AC.
4.已知数列{an}满足-an=2,a1=-5,则|a1|+|a2|+…+|a6|= .
答案:18
解析:由-an=2可得数列{an}是等差数列,
公差d=2.又a1=-5,所以an=-5+(n-1)×2=2n-7,所以|a1|+|a2|+|a3|+|a4|+|a5|+|a6|=5+3+1+1+3+5=18.
课时分层评价5 等差数列的前n项和公式
(时间:60分钟 满分:110分)
(本栏目内容,在学生用书中以独立形式分册装订!)
(1—9,每小题5分,共45分)
1.下列公式中不是等差数列前n项和的是( )
A.Sn= B.Sn=a1+(n-1)d
C.Sn=na1+d D.Sn=n2+n
答案:B
解析:由等差数列的前n项和公式得A,C,D正确.故选B.
2.5+10+15+…+100=( )
A.1 000 B.1 005
C.1 050 D.1 500
答案:C
解析:设5,10,15,…,100为数列{an},易知{an}为等差数列,公差d=5,所以an=5+(n-1)×5=5n,当5n=100时,n=20,所以5+10+15+…+100==1 050.故选C.
3.已知等差数列{an}的前n项和为Sn,且S3=6,a3=4,则公差d为( )
A.1 B. C.2 D.3
答案:C
解析:因为S3==6,而a3=4,所以a1=0,所以d==2.故选C.
4. (2023·全国甲卷)记Sn为等差数列的前n项和.若a2+a6=10,a4a8=45,则S5=( )
A.25 B.22
C.20 D.15
答案:C
解析:法一:设等差数列的公差为d,首项为a1,依题意可得,a2+a6=a1+d+a1+5d=10,即a1+3d=5.又a4a8==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.
5.(多选)记Sn为等差数列{an}的前n项和,已知S9=72,a7=10,则( )
A.an=n+3 B.an=2n-4
C.Sn=n2+n D.Sn=n2-n
答案:AC
解析:因为S9=72,a7=10,所以所以an=4+(n-1)×1=n+3,则Sn==n2+n.故选AC.
6.(多选)已知Sn是等差数列{an}的前n项和,下列选项中可能是Sn图象的是( )
答案:ABC
解析: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.
7.(2026·湖北宜昌高二检测)已知等差数列{an}的前n项和为Sn,Sn=390,S10=54,Sn-10=244,则n= .
答案:39
解析:因为Sn-=an+++…+=146,S10=a1+a2+a3+…+a10=54,所以10(a1+an)=200,a1+an=20.由Sn==390,得n=39.
8.(2026·江西南昌高二月考)已知数列{an}为等差数列,它的前n项和为Sn,若Sn=(n+2)2+λ,则λ的值为 .
答案:-4
解析:因为等差数列{an}的前n项和Sn=n2+(a1-)n,又Sn=(n+2)2+λ=n2+4n+4+λ,所以4+λ=0,解得λ=-4.
9.(双空题)已知数列{an}的前n项和Sn=10n-n2,数列{bn}的每一项都有bn=|an|,设数列{bn}的前n项和为Tn,则T4= ,T30= .
答案:24 650
解析:因为Sn=10n-n2,所以当n=1时,a1=S1=9.当n≥2时,an=Sn-=11-2n.又a1=9适合上式,所以an=11-2n.当1≤n≤5时,an>0,bn=an;当n>5时,an<0,bn=-an=2n-11.故T4=S4=10×4-42=24,T30=S5-(a6+a7+…+a30)=2S5-S30=2(10×5-52)-10×30+302=650.
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;
(2)设bn=,求b3+b7+b11+…+b4n-1的值.
解:(1)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.
(2)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.
(11—13,每小题5分,共15分)
11.(多选)已知{an}是等差数列,其公差为d,前n项和为Sn,a10=10,S10=70,则下列结论正确的是( )
A.a1=4 B.d=
C.数列{an}是递减数列 D.数列{Sn}是等差数列
答案:AB
解析:由题意知,故A、B正确;因为d>0,所以数列{an}是递增数列,故C错误;Sn-Sn-1=an=4+(n-1)×=n+(n≥2),不是常数,故数列{Sn}不是等差数列,故D错误.故选AB.
12.在数列{an}中,an=4n-,a1+a2+…+an=an2+bn(n∈N*),其中a,b为常数,则ab= .
答案:-1
解析:因为an=4n-,所以{an}为等差数列,设其公差为d,则a1=,d=4,所以an2+bn=a1+a2+…+an=n+×4=2n2-n,所以a=2,b=-,所以ab=-1.
优解:因为等差数列的通项公式和前n项和公式可以分别表示为an=dn+(a1-d),Sn=n2+(a1-)n,观察两个式子的特征可以发现,前n项和公式中n2的系数与通项公式中n的系数d之间存在倍数关系,所以由an=4n-,直接设Sn=2n2+bn,再由a1=S1,知4×1-=2+b,解得b=-,所以a=2,b=-,即ab=-1.
13.(双空题)(2026·四川绵阳高二月考)已知函数f(x)=1+ln ,设a1=1,an=f()+f()+f()+…+f()(n∈N*,n≥2).
(1)计算f(x)+f(1-x)的值为 ;
(2)数列{an}的通项公式为 .
答案:(1)2 (2)
解析:(1)f(x)+f(1-x)=1+ln +1+ln =2.
(2)由题知,当n≥2时,an=f()+f()+f()+…+f(),又an=f()+f()+…+f(),两式相加,得2an=[f()+f()]+[f()+f()]+…+[f()+f()]=2(n-1),所以an=n-1.又a1=1不符合an=n-1,所以an=
14.(15分)已知在各项均为正数的数列{an}中,前n项和Sn满足8Sn=.
(1)求证:数列{an}是等差数列;
(2)若bn=an-30,求数列的前n项和Tn.
解:(1)证明:由8Sn=,得当n=1时,8a1=,解得a1=2;
当n≥2时,8Sn-1=,所以8Sn-8Sn-1=-,
所以8an=-+4an-4an-1,整理得(an+an-1)(an-an-1-4)=0.
因为an+an-1>0,所以an-an-1=4,所以数列是以2为首项,4为公差的等差数列.
(2)由(1)知,an=2+(n-1)×4=4n-2.
因为bn=an-30,所以bn=2n-31.
因为当n≥2时,bn-bn-1=2,所以是等差数列.
又b1=-29,所以Tn===n2-30n.
15.(5分)(新定义)把形如M=mn(m,n∈N*)的正整数表示为各项都是整数、公差为2的等差数列的前m项和,称作“对M的m项划分”.例如:9=32=1+3+5,称作“对9的3项划分”;把64表示成64=43=13+15+17+19,称作“对64的4项划分”.据此,对324的18项划分中最大的数是 .
答案:35
解析:设对324的18项划分中最小数为a1,最大数为a18,则由解得
16.(17分)(开放题)已知各项均为正数的数列{an},其前n项和为Sn.数列{bn}为等差数列且满足b2=12,b5=30,再从①+an=2Sn,②a1=9,a2=2,当n≥2时,an+1=an+2这两个条件中任选一个作为已知条件,求解下列问题:
(1)求数列{an}的通项公式及前n项和Sn;
(2)若对任意n∈N*,不等式kSn≥bn恒成立,求实数k的取值范围.
解:方案一:选条件①.
(1)由+an=2Sn,
得+an-1=2Sn-1(n≥2),
两式相减可得-+an-an-1=2an,
即(an+an-1)(an-an-1-1)=0.
又an>0,所以an-an-1-1=0,即an-an-1=1,
所以数列{an}为等差数列.
当n=1时,a1=1,
所以an=1+(n-1)×1=n,
所以Sn==.
(2)因为数列为等差数列,设公差为d,由b2=12,b5=30得,
所以解得b1=d=6,
所以bn=6+6(n-1)=6n.
若对任意n∈N*,不等式kSn≥bn恒成立,
则k·≥6n,即k≥=对任意n∈N*恒成立,
所以k≥6,所以实数k的取值范围是[6,+∞).
方案二:选条件②.
(1)因为当n≥2时,an+1=an+2,即an+1-an=2,
所以当n≥2时,数列{an}为等差数列.
又a2=2,所以当n≥2时,an=2+(n-2)×2=2n-2,
所以an=
Sn=9+=n2-n+9.
(2)因为数列为等差数列,设公差为d,由b2=12,b5=30得,
所以解得b1=d=6,
所以bn=6+6(n-1)=6n.
若对任意n∈N*,不等式kSn≥bn恒成立,
则k≥=对任意n∈N*恒成立.
因为n+-1≥2-1=5,当且仅当n=3时取等号,
所以≤,所以k≥.
所以实数k的取值范围是[,+∞).
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