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- 2021-06-11 发布
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第2讲 等差数列及其前n项和
[考纲解读] 1.理解等差数列的概念及等差数列与一次函数的关系.(重点)
2.掌握等差数列的通项公式与前n项和公式,并熟练掌握其推导方法,能在具体的问题情境中识别数列的等差关系,并能用等差数列的有关知识解决相应的问题.(重点、难点)
[考向预测] 从近三年高考情况来看,本讲一直是高考的热点.预测2020年高考将会以等差数列的通项公式及其性质、等差数列的前n项和为考查重点,也可能将等差数列的通项、前n项和及性质综合考查,题型以客观题或解答题的形式呈现,试题难度一般不大,属中档题型.
1.等差数列的有关概念
(1)定义:一般地,如果一个数列从第2项起,每一项与它前一项的差等于同一个常数,那么这个数列就叫做等差数列,这个常数叫做等差数列的公差,公差通常用字母d表示.数学语言表示为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.等差数列的通项公式与前n项和公式
(1)若等差数列{an}的首项是a1,公差是d,则其通项公式为an=a1+(n-1)d,可推广为an=am+(n-m)d.
(2)等差数列的前n项和公式Sn==na1+d.
3.等差数列的相关性质
已知{an}为等差数列,d为公差,Sn为该数列的前n项和.
(1)有穷等差数列中与首末两项等距离的两项的和都相等,即a1+an=a2+an-1=a3+an-2=…=ak+an-k+1=….
(2)等差数列{an}中,当m+n=p+q时,am+an=ap+aq(m,n,p,q∈N
*).
特别地,若m+n=2p,则2ap=am+an(m,n,p∈N*).
(3)相隔等距离的项组成的数列是等差数列,即ak,ak+m,ak+2m,…仍是等差数列,公差为md(k,m∈N*).
(4)Sn,S2n-Sn,S3n-S2n,…也成等差数列,公差为n2d.
(5)也成等差数列,其首项与{an}首项相同,公差是{an}的公差的.
4.等差数列与函数的关系
(1)等差数列与一次函数的关系
an=a1+(n-1)d可化为an=dn+a1-d的形式.当d≠0时,an是关于n的一次函数;当d>0时,数列为递增数列;当d<0时,数列为递减数列.
(2)等差数列前n项和公式可变形为Sn=n2+n.当d≠0时,它是关于n的二次函数,数列{an}是等差数列⇔Sn=An2+Bn(A,B为常数).
5.等差数列的前n项和的最值
在等差数列{an}中,a1>0,d<0,则Sn存在最大值;若a1<0,d>0,则Sn存在最小值.
1.概念辨析
(1)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.( )
(2)数列{an}为等差数列的充要条件是其通项公式为n的一次函数.( )
(3)等差数列的前n项和公式是常数项为0的二次函数.( )
(4)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.( )
答案 (1)√ (2)× (3)× (4)√
2.小题热身
(1)(2018·日照模拟)由公差为d的等差数列a1,a2,a3,…组成的新数列a1+a4,a2+a5,a3+a6,…是( )
A.公差为d的等差数列
B.公差为2d的等差数列
C.公差为3d的等差数列
D.非等差数列
答案 B
解析 由题意得,新数列{an+an+3}是公差为2d的等差数列,理由:(an+1+an+4)-(an+an+3)=(an+1-an)+(an+4-an+3)=d+d=2d.
(2)在等差数列{an}中,已知a2=2,前7项和S7=56,则公差d=( )
A.2 B.3 C.-2 D.-3
答案 B
解析 由题意可得即
解得
(3)(2018·北京高考)设{an}是等差数列,且a1=3,a2+a5=36,则{an}的通项公式为________.
答案 an=6n-3(n∈N*)
解析 由已知,设{an}的公差为d,则a2+a5=a1+d+a1+4d=2a1+5d=36,
又a1=3,所以d=6,所以{an}的通项公式为
an=3+6(n-1)=6n-3(n∈N*).
(4)在等差数列{an}中,若a3+a4+a5+a6+a7=450,则a2+a8=________.
答案 180
解析 由等差数列的性质可得
a3+a7=a4+a6=2a5,
又因为a3+a4+a5+a6+a7=450,
所以5a5=450,a5=90,所以a2+a8=2a5=180.
题型 等差数列基本量的运算
1.(2018·全国卷Ⅰ)设Sn为等差数列{an}的前n项和,若3S3=S2+S4,a1=2,则a5=( )
A.-12 B.-10 C.10 D.12
答案 B
解析 设该等差数列的公差为d,根据题中的条件可得3×
=2×2+d+4×2+·d,整理解得d=-3,所以a5=a1+4d=2-12=-10,故选B.
2.(2018·碑林区期末)设{an}是递增等差数列,前三项的和为12,前三项的积为48,则它的首项a1=________.
答案 2
解析 由题可知3a2=12,①
(a2-d)a2(a2+d)=48,②
将①代入②得(4-d)(4+d)=12,
解得d=2或d=-2(舍),
∴a1=a2-d=4-2=2.
3.(2016·全国卷Ⅱ)Sn为等差数列{an}的前n项和,且a1=1,S7=28.记bn=[lg an],其中[x]表示不超过x的最大整数,如[0.9]=0,[lg 99]=1.
(1)求b1,b11,b101;
(2)求数列{bn}的前1000项和.
解 (1)设{an}的公差为d,据题意有7+21d=28,解得d=1.
所以{an}的通项公式为an=n.
b1=[lg 1]=0,b11=[lg 11]=1,b101=[lg 101]=2.
(2)因为bn=
所以数列{bn}的前1000项和为1×90+2×900+3×1=1893.
1.等差数列基本运算的解题策略
(1)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,体现了用方程组解决问题的思想.
(2)数列的通项公式和前n项和公式在解题中起到变量代换的作用,而a1和d是等差数列的两个基本量,用它们表示已知量和未知量是常用方法.如举例说明1.
2.等差数列设项技巧
若奇数个数成等差数列且和为定值时,可设中间三项为a-d,a,a+d;若偶数个数成等差数列且和为定值时,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(注意此时数列的公差为2d).见举例说明2.
1.(2017·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
答案 C
解析 设{an}的公差为d,则
由得
解得d=4.故选C.
2.在公差为d的等差数列{an}中,已知a1=10,且5a3·a1=(2a2+2)2.
(1)求d,an;
(2)若d<0,求|a1|+|a2|+|a3|+…+|an|.
解 (1)由题意得5a3·a1=(2a2+2)2,即d2-3d-4=0,故d=-1或d=4,所以an=-n+11,n∈N*或an=4n+6,n∈N*.
(2)设数列{an}的前n项和为Sn,因为d<0,
由(1)得d=-1,an=-n+11,
则当n≤11时,|a1|+|a2|+|a3|+…+|an|=Sn=-n2+n,
当n≥12时,|a1|+|a2|+|a3|+…+|an|=-Sn+2S11=n2-n+110.
综上所述,
|a1|+|a2|+|a3|+…+|an|=
题型 等差数列的判断与证明
已知数列{an}中,a1=,an=2-(n≥2,n∈N*),数列{bn}满足bn=(n∈N*).
(1)求证:数列{bn}是等差数列;
(2)求数列{an}中的最大项和最小项,并说明理由.
解 (1)证明:因为an=2-(n≥2,n∈N*),bn=(n∈N*),
所以bn+1-bn=-=-=-=1.
又b1==-.
所以数列{bn}是以-为首项,1为公差的等差数列.
(2)由(1)知bn=n-,则an=1+=1+.
设f(x)=1+,
则f(x)在区间和上为减函数.
所以当n=3时,an取得最小值-1,
当n=4时,an取得最大值3.
条件探究1 举例说明中,若将条件变为“a1=,nan+1=(n+1)an+n(n+1)”,试求数列{an}的通项公式.
解 由已知可得=+1,
即-=1,又a1=,
∴是以=为首项,1为公差的等差数列,
∴=+(n-1)×1=n-,∴an=n2-n.
条件探究2 把举例说明条件改为“a1=2,a2=1,且=”,求数列{an}的通项公式.
解 因为=,
1-=-1,
an=2,
an=,
所以=+,即=+.
所以为等差数列.
其首项=,公差d=-=.
所以=+(n-1)·=,
所以an=.
判定数列{an}是等差数列的常用方法
(1)定义法:对任意n∈N*,an+1-an是同一个常数.见举例说明.
(2)等差中项法:对任意n≥2,n∈N*,满足2an=an+1+an-1.
(3)通项公式法:数列的通项公式an是n的一次函数.
(4)前n项和公式法:数列的前n项和公式Sn是n的二次函数,且常数项为0.
提醒:判断是否为等差数列,最终一般都要转化为定义法判断.
1.正项数列{an}满足a1=1,a2=2,2a=a+a(n∈N*,n≥2),则a7=________.
答案
解析 由2a=a+a(n∈N*,n≥2),得数列{a}是等差数列,公差d=a-a=3,首项a=1,所以a=1+3(n-1)=3n-2,
∴an=,∴a7=.
2.已知数列{an}满足a1=-,an+1=(n∈N*).
(1)证明:数列是等差数列;
(2)求{an}的通项公式.
解 (1)证明:因为===3+,
所以-=3.
所以数列是首项为3,公差为3的等差数列.
(2)由(1)知=3n.所以an=-1.
题型 等差数列的性质及前n项和的最值
角度1 等差数列的性质的应用
1.(1)在等差数列{an}中,已知a4,a7是函数f(x)=x2-4x+3的两个零点,则{an}的前10项和等于( )
A.-18 B.9 C.18 D.20
(2)(2019·金版原创)已知函数f(x)=cosx,x∈(0,2π)有两个不同的零点x1,x2,且方程f(x)=m有两个不同的实根x3,x4,若把这四个数按从小到大排列构成等差数列,则实数m=________.
答案 (1)D (2)-
解析 (1)因为a4,a7是函数f(x)=x2-4x+3的两个零点,
由韦达定理可知,a4+a7=4,
S10=×10=×10=20,故选D.
(2)若m>0,则公差d=-=π,显然不成立,所以m<0,则公差d==.
所以m=cos=-.
角度2 等差数列前n项和的性质的应用
2.等差数列{an}中,前m项的和为30,前2m项的和为100,试求前3m项的和.
解 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.
角度3 等差数列前n项和的最值问题
3.(1)(2018·吉林长春一模)等差数列{an}中,已知a6+a11=0,且公差d>0,则其前n项和取最小值时的n的值为( )
A.6 B.7 C.8 D.9
(2)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
答案 (1)C (2)A
解析 (1)解法一:因为a6+a11=0,
所以a1+5d+a1+10d=0,解得a1=-d,
所以Sn=na1+d=·n+d
=(n2-16n)=[(n-8)2-64].
因为d>0,所以当n=8时,其前n项和取最小值.
解法二:由等差数列的性质可得a8+a9=a6+a11=0.
由公差d>0得等差数列{an}是递增数列,所以a8<0,a9>0,
故当1≤n≤8时,an<0;n≥9时,an>0,
所以当n=8时,其前n项和取最小值.
(2)∵a1=29,S10=S20,
∴10a1+d=20a1+d,解得d=-2,
∴Sn=29n+×(-2)=-n2+30n=-(n-15)2+225.
∴当n=15时,Sn取得最大值.
1.应用等差数列的性质解题的两个注意点
(1)如果{an}为等差数列,m+n=p+q,则am+an=ap+aq(m,n,p,q∈N*).因此,若出现am-n,am,am+n等项时,可以利用此性质将已知条件转化为与am(或其他项)有关的条件;若求am项,可由am=(am-n+am+n)转化为求am-n,am+n或am+n+am-n的值.
(2)要注意等差数列通项公式及前n项和公式的灵活应用,如an=am+(n-
m)d,d=,S2n-1=(2n-1)an,Sn==(n,m∈N*)等.
(3)当项数为偶数2n时,S偶-S奇=nd;项数为奇数2n-1时,S奇-S偶=a中,S奇∶S偶=n∶(n-1).见巩固迁移3.
2.求等差数列前n项和Sn最值的两种方法
(1)函数法:等差数列前n项和的函数表达式Sn=an2+bn=a2-,求“二次函数”最值.如举例说明3(1)解法一.
(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.如举例说明3(1)解法二.
1.设等差数列{an}的前n项和为Sn,且a1>0,a3+a10>0,a6a7<0,则满足Sn>0的最大自然数n的值为( )
A.6 B.7 C.12 D.13
答案 C
解析 因为a1>0,a6a7<0,所以a6>0,a7<0,等差数列的公差小于零,又a3+a10=a1+a12>0,a1+a13=2a7<0,所以S12>0,S13<0,所以满足Sn>0的最大自然数n的值为12.
2.设等差数列{an}的前n项和为Sn,已知前6项和为36,最后6项的和为180,Sn=324(n>6),则数列{an}的项数为________.
答案 18
解析 由题意知a1+a2+…+a6=36,①
an+an-1+an-2+…+an-5=180,②
①+②得(a1+an)+(a2+an-1)+…+(a6+an-5)=6(a1+an)=216,
∴a1+an=36,
又Sn==324,∴18n=324,∴n=18.
3.(2018·太原模拟)一个等差数列的前12项的和为354,前12项中偶数项的和与奇数项的和的比为32∶27,求该数列的公差d.
解 设等差数列的前12项中奇数项的和为S奇,偶数项的和为S偶,等差数列的公差为d.由已知条件,得
解得
又S偶-S奇=6d,所以d==5.