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- 2021-06-24 发布
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第2讲 等差数列及其前n项和
1.等差数列的有关概念
(1)定义
如果一个数列从第2项起,每一项与它的前一项的差都等于同一个常数,那么这个数列就叫做等差数列.符号表示为an+1-an=d(n∈N*,d为常数).
(2)等差中项
数列a,A,b成等差数列的充要条件是A=,其中A叫做a,b的等差中项.
2.等差数列的有关公式
(1)通项公式:an=a1+(n-1)d.
(2)前n项和公式:Sn=na1+d=.
3.等差数列的性质
已知数列{an}是等差数列,Sn是其前n项和.
(1)通项公式的推广:an=am+(n-m)d(n,m∈N*).
(2)若k+l=m+n(k,l,m,n∈N*),则ak+al=am+an.
(3)若{an}的公差为d,则{a2n}也是等差数列,公差为2d.
(4)若{bn}是等差数列,则{pan+qbn}也是等差数列.
(5)数列Sm,S2m-Sm,S3m-S2m,…构成等差数列.
判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)
(1)数列{an}为等差数列的充要条件是对任意n∈N*,都有2an+1=an+an+2.( )
(2)等差数列{an}的单调性是由公差d决定的.( )
(3)已知数列{an}的通项公式是an=pn+q(其中p,q为常数),则数列{an}一定是等差数列.( )
(4)等差数列的前n项和公式是常数项为0的二次函数.( )
答案:(1)√ (2)√ (3)√ (4)×
(教材习题改编)等差数列11,8,5,…,中-49是它的第几项( )
A.第19项 B.第20项
C.第21项 D.第22项
解析:选C.a1=11,d=8-11=-3,
所以an=11+(n-1)×(-3)=-3n+14.
由-3n+14=-49,得n=21.故选C.
(教材习题改编)已知p:数列{an}是等差数列,q:数列{an}的通项公式an=k1n+k2(k1,k2均为常数),则p是q的( )
A.充分不必要条件
B.必要不充分条件
C.充要条件
D.既不充分也不必要条件
解析:选C.若{an}是等差数列,不妨设公差为d.
所以an=a1+(n-1)d=dn+a1-d,
令k1=d,k2=a1-d,则an=k1n+k2,
若数列{an}的通项公式an=k1n+k2(k1,k2为常数,n∈N*),
则当n≥2且n∈N*时,an-1=k1(n-1)+k2,
所以an-an-1=k1(常数)(n≥2且n∈N*),
所以{an}为等差数列,
所以p是q的充要条件.
在等差数列{an}中,若a2=4,a4=2,则a6等于( )
A.-1 B.0
C.1 D.6
解析:选B.由等差数列的性质,a2+a6=2a4,所以a6=2a4-a2=4-4=0.
(教材习题改编)小于20的所有正奇数的和为( )
A.64 B.81
C.100 D.121
解析:选C.设小于20的正奇数构成的数列为{an},则{an}是以a1=1,公差d=2的等差数列,所以an=2n-1.由an≤19,得n≤10,即共有10个数.所以S10==100,故选C.
(教材习题改编)设Sn为等差数列{an}的前n项和,S2=S6,a4=1,则a5=__________.
解析:由题意知
解得所以a5=a4+d=1+(-2)=-1.
答案:-1
等差数列基本量的运算
[典例引领]
(1)(2017·高考全国卷Ⅰ)记Sn为等差数列{an}的前n项和.若a4+a5=24,S6=48,则{an}的公差为( )
A.1 B.2
C.4 D.8
(2)(2016·高考全国卷Ⅰ)已知等差数列{an}前9项的和为27,a10=8,则a100=( )
A.100 B.99
C.98 D.97
(3)(2018·合肥第二次质量检测)等差数列{an}的前n项和为Sn,且S3=6,S6=3,则S10=( )
A. B.0
C.-10 D.-15
【解析】 (1)设等差数列{an}的公差为d,
所以所以d=4,故选C.
(2)设等差数列{an}的公差为d,因为{an}为等差数列,且S9=9a5=27,所以a5=3.又a10=8,解得5d=a10-a5=5,所以d=1,所以a100=a5+95d=98,选C.
(3)由题意,得,解得,所以S10=10a1+45d=-15,故选D.
【答案】 (1)C (2)C (3)D
等差数列运算问题的通性通法
(1)等差数列运算问题的一般求法是设出首项a1和公差d,然后由通项公式或前n项和公式转化为方程(组)求解.
(2)等差数列的通项公式及前n项和公式,共涉及五个量a1,an,d,n,Sn,知其中三个就能求另外两个,体现了用方程的思想解决问题.
[通关练习]
1.已知{an}是公差为1的等差数列,Sn为{an}的前n项和,若S8=4S4,则a10=( )
A. B.
C.10 D.12
解析:选B.因为公差为1,
所以S8=8a1+×1=8a1+28,S4=4a1+6.
因为 S8=4S4,所以8a1+28=4(4a1+6),解得a1=,
所以a10=a1+9d=+9=,故选B.
2.(2018·安徽两校阶段性测试)若等差数列{an}的前n项和为Sn,且满足a2+S3=4,a3+S5=12,则a4+S7的值是( )
A.20 B.36
C.24 D.72
解析:选C.由a2+S3=4及a3+S5=12
得,解得,
所以a4+S7=8a1+24d=24.故选C.
等差数列的判断与证明
[典例引领]
(2018·贵州适应性考试)已知数列{an}满足a1=1,且nan+1-(n+1)an=2n2+2n.
(1)求a2,a3;
(2)证明数列{}是等差数列,并求{an}的通项公式.
【解】 (1)由已知,得a2-2a1=4,
则a2=2a1+4,又a1=1,所以a2=6.
由2a3-3a2=12,
得2a3=12+3a2,所以a3=15.
(2)由已知nan+1-(n+1)an=2n(n+1),
得=2,即-=2,
所以数列是首项=1,公差d=2的等差数列.
则=1+2(n-1)=2n-1,所以an=2n2-n.
等差数列的四个判定方法
(1)定义法:证明对任意正整数n都有an+1-an等于同一个常数.
(2)等差中项法:证明对任意正整数n都有2an+1=an+an+2后,可递推得出an+2-an+1=
an+1-an=an-an-1=an-1-an-2=…=a2-a1,根据定义得出数列{an}为等差数列.
(3)通项公式法:得出an=pn+q后,得an+1-an=p对任意正整数n恒成立,根据定义判定数列{an}为等差数列.
(4)前n项和公式法:得出Sn=An2+Bn后,根据Sn,an的关系,得出an,再使用定义法证明数列{an}为等差数列.
[通关练习]
已知数列{an }的前n项和为Sn,a1=1,an≠0,anan+1=λSn-1,其中λ为常数.
(1)证明:an+2-an=λ;
(2)是否存在λ,使得{an }为等差数列?并说明理由.
解:(1)证明:由题设知anan+1=λSn-1,an+1an+2=λSn+1-1,两式相减得an+1(an+2-an)=λan+1,
由于an+1≠0,
所以an+2-an=λ.
(2)由题设知a1=1,a1a2=λS1-1,
可得a2=λ-1.
由(1)知,a3=λ+1.
令2a2=a1+a3,
解得λ=4.
故an+2-an=4,
由此可得{a2n-1}是首项为1,
公差为4的等差数列,a2n-1=4n-3;
{a2n}是首项为3,公差为4的等差数列,a2n=4n-1.
所以an=2n-1,an+1-an=2,
因此存在λ=4,
使得数列{an}为等差数列.
等差数列性质的应用(高频考点)
等差数列的性质是高考的重要内容,多与等差数列基本量的计算综合考查,既有选择题、填空题,也有解答题,难度适中.主要命题角度有:
(1)等差数列项的性质的应用;
(2)等差数列前n项和性质的应用.
[典例引领]
角度一 等差数列项的性质的应用
(1)(2018·湖南五市十校联考)已知Sn是数列{an}的前n项和,且Sn+1=Sn+an+3,
a4+a5=23,则S8=( )
A.72 B.88
C.92 D.98
(2)已知{an},{bn}都是等差数列,若a1+b10=9,a3+b8=15,则a5+b6=________.
【解析】 (1)法一:由Sn+1=Sn+an+3,得an+1-an=3,数列{an}是公差为3的等差数列,又a4+a5=23=2a1+7d=2a1+21,所以a1=1,S8=8a1+d=92.
法二:由Sn+1=Sn+an+3,得an+1-an=3,数列{an}是公差为3的等差数列,S8===92.
(2)因为{an},{bn}都是等差数列,所以2a3=a1+a5,2b8=b10+b6,所以2(a3+b8)=(a1+b10)+(a5+b6),即2×15=9+(a5+b6),解得a5+b6=21.
【答案】 (1)C (2)21
角度二 等差数列前n项和性质的应用
(1)在等差数列{an}中,a1=-2 018,其前n项和为Sn,若-=2,则S2 018的值等于( )
A.-2 018 B.-2 016
C.-2 019 D.-2 017
(2)设等差数列{an}的前n项和为Sn,且S3=-12,S9=45,则S12=________.
【解析】 (1)由题意知,数列为等差数列,其公差为1,所以=+(2 018-1)×1=-2 018+2 017=-1.
所以S2 018=-2 018.
(2)因为{an}是等差数列,所以S3,S6-S3,S9-S6,S12-S9成等差数列,所以2(S6-S3)=S3+(S9-S6),即2(S6+12)=-12+(45-S6),解得S6=3.又2(S9-S6)=(S6-S3)+(S12-S9),即2×(45-3)=(3+12)+(S12-45),解得S12=114.
【答案】 (1)A (2)114
等差数列的性质
(1)项的性质:在等差数列{an}中,am-an=(m-n)d⇔=d(m≠n),其几何意义是点(n,an),(m,am)所在直线的斜率等于等差数列的公差.
(2)和的性质:在等差数列{an}中,Sn为其前n项和,则
①S2n=n(a1+a2n)=…=n(an+an+1);
②S2n-1=(2n-1)an.
[通关练习]
1.(2018·西安八校联考)等差数列{an}为递增数列,若a+a=101,a5+a6=11,则数列{an}的公差d等于( )
A.1 B.2
C.9 D.10
解析:选A.依题意得(a1+a10)2-2a1a10=(a5+a6)2-2a1a10=121-2a1a10=101,所以a1a10=10,又a1+a10=a5+a6=11,a10,a8<0,故n=7时Sn最大.
法二:由S3=S11,可得3a1+3d=11a1+55d,把a1=13代入,得d=-2,故Sn=13n-n(n-1)=-n2+14n.根据二次函数的性质,知当n=7时Sn最大.
法三:根据a1=13,S3=S11,知这个数列的公差不等于零,且这个数列的和是先递增后递减.根据公差不为零的等差数列的前n项和是关于n的二次函数,以及二次函数图象的对称性,可得只有当n==7时,Sn取得最大值.
(2)由an=2n-10(n∈N*)知{an}是以-8为首项,2为公差的等差数列,又由an=2n-10≥0得n≥5,所以n≤5时,an≤0,当n>5时,an>0,所以|a1|+|a2|+…+|a15|=-(a1+a2
+a3+a4)+(a5+a6+…+a15)=20+100=120.
【答案】 (1)C (2)120
求等差数列前n项和Sn及最值的2种方法
(1)函数法:利用等差数列前n项和的函数表达式Sn=an2+bn,通过配方或借助图象求二次函数最值的方法求解.
(2)邻项变号法
①当a1>0,d<0时,满足的项数m使得Sn取得最大值为Sm;
②当a1<0,d>0时,满足的项数m使得Sn取得最小值为Sm.
[通关练习]
1.设等差数列{an}的前n项和为Sn,a1>0且=,则当Sn取最大值时,n的值为( )
A.9 B.10
C.11 D.12
解析:选B.由=,得S11=S9,即a10+a11=0,根据首项a1>0可推知这个数列递减,从而a10>0,a11<0,故n=10时,Sn最大.
2.在等差数列{an}中,S10=100,S100=10,则S110=________.
解析:因为数列{an}为等差数列,
所以S10=5(a1+a10)=100.
S100=50(a1+a100)=10.
所以a100-a10=90d=-19.8,即d=-0.22.
又a1+a110=a1+a100+10d=-2,
所以S110=55(a1+a110)=-2×55=-110.
答案:-110
等差数列的判断方法
(1)定义法;
(2)等差中项法;
(3)利用通项公式判断;
(4)利用前n项和公式判断.
等差数列基本量的计算
(1)在解有关等差数列的基本量问题时,可通过列关于a1,d的方程组进行求解.
(2)若奇数个数成等差数列,可设中间三项为a-d,a,a+d.
若偶数个数成等差数列,可设中间两项为a-d,a+d,其余各项再依据等差数列的定义进行对称设元.
(3)灵活使用等差数列的性质,可以大大减少运算量.
解决等差数列应注意以下两点
(1)用定义法证明等差数列应注意“从第2项起”,如证明了an+1-an=d(n≥2)时,应注意验证a2-a1是否等于d,若a2-a1≠d,则数列{an}不为等差数列.
(2)利用二次函数性质求等差数列前n项和最值时,一定要注意自变量n是正整数.
1.(2018·洛阳模拟)设等差数列{an}的前n项和为Sn,且a2+a7+a12=24,则S13=( )
A.52 B.78
C.104 D.208
解析:选C.依题意得3a7=24,a7=8,S13==13a7=104,选C.
2.若等差数列{an}的前5项和S5=25,且a2=3,则a7=( )
A.12 B.13
C.14 D.15
解析:选B.设{an}的公差为d,由S5=⇒25=⇒a4=7,所以7=3+2d⇒d=2,所以a7=a4+3d=7+3×2=13.
3.在单调递增的等差数列{an}中,若a3=1,a2a4=,则a1=( )
A.-1 B.0
C. D.
解析:选B.由题知,a2+a4=2a3=2,又因为a2a4=,数列{an}单调递增,所以a2=,a4=.所以公差d==.所以a1=a2-d=0.
4.设等差数列{an}的前n项和为Sn,则“a6+a7>0”是“S9≥S3”的( )
A.充分不必要条件 B.必要不充分条件
C.充要条件 D.既不充要也不必要条件
解析:选A.法一:将它们等价转化为a1和d的关系式.a6+a7>0⇒a1+5d+a1+6d>0⇒2a1+11d>0;S9≥S3⇒9a1+≥3a1+⇒2a1+11d≥0.
法二:a6+a7>0⇒a1+a12>0,
S9≥S3⇒a4+a5+…+a9≥0⇒3(a1+a12)≥0.
5.在等差数列{an}中,a1=29,S10=S20,则数列{an}的前n项和Sn的最大值为( )
A.S15 B.S16
C.S15或S16 D.S17
解析:选A.设{an}的公差为d,
因为a1=29,S10=S20,
所以10a1+d=20a1+d,解得d=-2,
所以Sn=29n+×(-2)=-n2+30n=-(n-15)2+225.
所以当n=15时,Sn取得最大值.
6.在等差数列{an}中,a3+a9=27-a6,Sn表示数列{an}的前n项和,则S11=________.
解析:因为a3+a9=27-a6,2a6=a3+a9,所以3a6=27,所以a6=9,所以S11=(a1+a11)=11a6=99.
答案:99
7.在等差数列{an}中,公差d=,前100项的和S100=45,则a1+a3+a5+…+a99=________.
解析:因为S100=(a1+a100)=45,所以a1+a100=,a1+a99=a1+a100-d=,则a1+a3+a5+…+a99=(a1+a99)=×=10.
答案:10
8.设等差数列{an}的前n项和为Sn,Sm-1=-2,Sm=0,Sm+1=3,则正整数m的值为________.
解析:因为等差数列{an}的前n项和为Sn,Sm-1=-2,Sm=0,Sm+1=3,
所以am=Sm-Sm-1=2,am+1=Sm+1-Sm=3,数列的公差d=1,am+am+1=Sm+1-Sm-1=5,即2a1+2m-1=5,
所以a1=3-m.
由Sm=(3-m)m+×1=0,
解得正整数m的值为5.
答案:5
9.(2016·高考全国卷Ⅱ)等差数列{an}中,a3+a4=4,a5+a7=6.
(1)求{an}的通项公式;
(2)设bn=[an],求数列{bn}的前10项和,其中[x]表示不超过x的最大整数,如[0.9]=0,[2.6]=2.
解:(1)设数列{an}的公差为d,由题意有
2a1+5d=4,a1+5d=3.
解得a1=1,d=.
所以{an}的通项公式为an=.
(2)由(1)知,bn=[].
当n=1,2,3时,1≤<2,bn=1;
当n=4,5时,2<<3,bn=2;
当n=6,7,8时,3≤<4,bn=3;
当n=9,10时,4<<5,bn=4.
所以数列{bn}的前10项和为1×3+2×2+3×3+4×2=24.
10.已知数列{an}的各项均为正数,前n项和为Sn,且满足2Sn=a+n-4(n∈N*).
(1)求证:数列{an}为等差数列;
(2)求数列{an}的通项公式.
解:(1)证明:当n=1时,有2a1=a+1-4,
即a-2a1-3=0,
解得a1=3(a1=-1舍去).
当n≥2时,有2Sn-1=a+n-5,
又2Sn=a+n-4,
两式相减得2an=a-a+1,
即a-2an+1=a,
也即(an-1)2=a,
因此an-1=an-1或an-1=-an-1.
若an-1=-an-1,则an+an-1=1.
而a1=3,
所以a2=-2,这与数列{an}的各项均为正数相矛盾,所以an-1=an-1,
即an-an-1=1,
因此数列{an}是首项为3,公差为1的等差数列.
(2)由(1)知a1=3,d=1,
所以数列{an}的通项公式an=3+(n-1)×1=n+2,即an=n+2.
1.(2018·张掖模拟)等差数列{an}中,是一个与n无关的常数,则该常数的可能值的集合为( )
A.{1} B.
C. D.
解析:选B.==,若a1=d,则=;若a1≠0,d=0,则=1.因为a1=d≠0,所以≠0,所以该常数的可能值的集合为.
2.设Sn为等差数列{an}的前n项和,若a4<0,a5>|a4|,则使Sn>0成立的最小正整数n为( )
A.6 B.7
C.8 D.9
解析:选C.在等差数列{an}中 ,因为a4<0,a5>|a4|,所以a5>0,a5+a4>0,S7===7a4<0,S8===4(a4+a5)>0.
所以使Sn>0成立的最小正整数n为8,故选C.
3.已知在等差数列{an}中,Sn=33,S2n=44,则这个数列的前3n项和S3n为________.
解析:由题意知,,,三点在同一条直线上,从而有=,解得S3n=33.所以该数列的前3n项的和为33.
答案:33
4.已知等差数列{an}的前n项和为Sn,若S17=306,则a7-=________.
解析:设等差数列{an}的公差为d,由前n项和公式可得S17=17a1+d=306,所以a1+8d=18.所以a7-=a1+6d-==(a1+8d)=×18=12.
答案:12
5.已知等差数列{an}前三项的和为-3,前三项的积为8.
(1)求数列{an}的通项公式;
(2)若a2,a3,a1成等比数列,求数列{|an|}的前n项和Sn.
解:(1)设等差数列{an}的公差为d,
则a2=a1+d,a3=a1+2d.
由题意得
解得或
所以由等差数列通项公式可得an=2-3(n-1)=-3n+5或an=-4+3(n-1)=3n-7.
故an=-3n+5或an=3n-7.
(2)当an=-3n+5时,a2,a3,a1分别为-1,-4,2,不成等比数列;
当an=3n-7时,a2,a3,a1分别为-1,2,-4,成等比数列,满足条件.
故|an|=|3n-7|=
记数列{|an|}的前n项和为Sn.
当n=1时,S1=|a1|=4;
当n=2时,S2=|a1|+|a2|=5;
当n≥3时,Sn=S2+|a3|+|a4|+…+|an|
=5+(3×3-7)+(3×4-7)+…+(3n-7)
=5+=n2-n+10.
当n=2时,满足此式,当n=1时,不满足此式.
综上,Sn=
6.(2018·洛阳第一次统一考试)已知数列{an}的前n项和为Sn,an≠0,a1=1,且2anan+1=4Sn-3(n∈N*).
(1)求a2的值并证明:an+2-an=2;
(2)求数列{an}的通项公式.
解:(1)令n=1得2a1a2=4S1-3,又a1=1,所以a2=.
2anan+1=4Sn-3,①
2an+1an+2=4Sn+1-3②
②-①得,2an+1(an+2-an)=4an+1.
因为an+1≠0,所以an+2-an=2.
(2)由(1)可知:
数列a1,a3,a5,…,a2k-1,…为等差数列,公差为2,首项为1,所以a2k-1=1+2(k-1)=2k-1,即n为奇数时,an=n.
数列a2,a4,a6,…,a2k,…为等差数列,公差为2,首项为,所以a2k=+2(k-1)=2k-,即n为偶数时,an=n-.综上所述,an=.