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第二节等差数列及其前n项和教案_02高考数学_新高考复习资料_2022年新高考资料_2022届一轮复习讲练结合_第六章数列_第二节等差数列及其前n项和

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第二节 等差数列及其前n项和 核心素养立意下的命题导向 1.理解等差数列的概念,凸显数学抽象的核心素养. 2.与一次函数相对比,掌握等差数列的通项公式及应用,凸显数学运算的核心素养. 3.与二次函数相结合,掌握等差数列的前n项和公式及应用,凸显数学运算的核心素养. 4.与具体的问题情境相结合,考查等差数列的概念,凸显数学建模的核心素养. [理清主干知识] 1.等差数列的概念 (1)如果一个数列从第2项起,每一项与它的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. 数学语言表达式:a -a =d(n∈N*,d为常数). n+1 n (2)若a,A,b成等差数列,则A叫做a,b的等差中项,且A=. 2.等差数列的通项公式与前n项和公式 (1)若等差数列{a }的首项是a,公差是d,则其通项公式为a =a + ( n - 1 ) d.通项公式的推广: n 1 n 1 a =a + ( n - m ) d (n,m∈N*). n m (2)前n项和公式:S =na +==n2+n. n 1 3.等差数列的性质 (1)若{a }为等差数列,且k+l=m+n(k,l,m,n∈N*),则a + a = a + a . n k l m n (2)若{a }是等差数列,公差为d,则a,a ,a ,…(k,m∈N*)是公差为md 的等差数列. n k k+m k+2m (3)若{a },{b }是等差数列,则{pa +qb }也是等差数列. n n n n (4)若S 为等差数列{a }的前n项和,则数列S ,S -S ,S -S ,…(m∈N*)也是等差数列, n n m 2m m 3m 2m 公差为m2d. (5)若S 为等差数列{a }的前n项和,则数列也为等差数列. n n 4.等差数列的相关结论 (1)已知数列{a }的通项公式是a =pn+q(其中p,q为常数),则数列{a }一定是等差数列,且 n n n 公差为. (2)在等差数列{a }中,a>0,d<0,则S 存在最值;若a<0,d>0,则S 存在最值. n 1 n 1 n (3)等差数列{a }的单调性:当d>0时,{a }是递数列;当d<0时,{a }是递数列;当d=0时,{a } n n n n 是常数列. (4)数列{a }是等差数列⇔S =An2+Bn(A,B为常数,A≠0). n n [澄清盲点误点] 一、关键点练明1.(求数列的项)在等差数列{a }中,若a=4,a=2,则a=( ) n 2 4 6 A.-1 B.0 C.1 D.6 解析:选B ∵{a }为等差数列, n ∴2a=a+a,∴a=2a-a=2×2-4=0. 4 2 6 6 4 2 2.(求公差)已知等差数列{a }中,a=1,前5项和S=-15,则数列{a }的公差为( ) n 2 5 n A.-3 B.- C.-2 D.-4 解析:选D 设等差数列{a }的首项为a,公差为d, n 1 因为所以解得d=-4. 3.(求项数)已知等差数列{a }的公差d≠0,且a+a=a -a,若a =0,则n=________. n 3 9 10 8 n 解析:因为a+a=a -a, 3 9 10 8 所以a+2d+a+8d=a+9d-(a+7d),解得a=-4d, 1 1 1 1 1 所以a =-4d+(n-1)d=(n-5)d, n 令(n-5)d=0(d≠0),可解得n=5. 答案:5 4.(等差数列的性质)在等差数列{a }中,若a+a+a+a+a=450,则a+a=________. n 3 4 5 6 7 2 8 解析:由等差数列的性质,得a+a+a+a+a=5a=450,∴a=90,∴a+a=2a=180. 3 4 5 6 7 5 5 2 8 5 答案:180 二、易错点练清 1.(忽视数列中项为0的情况)已知等差数列{a }中,|a|=|a|,公差d<0,则使数列{a }的前n n 3 9 n 项和S 取最大值的正整数n的值是________. n 解析:设等差数列{a }的首项为a,公差为d,由|a|=|a|,得|a+2d|=|a+8d|,解得a=-5d n 1 3 9 1 1 1 或d=0(舍去),则a+5d=a=0,a>0,故使前n项和S 取最大值的正整数n是5或6. 1 6 5 n 答案:5或6 2.(忽视相邻项的符号)首项为28的等差数列{a },从第8项开始为负数,则公差d的取值范 n 围是________. 解析:由题意知数列{a }满足即解得-≤d<-4. n 答案: 3.(忽视项的符号)已知等差数列{a }的通项公式为a =11-n,则|a|+|a|+…+|a |= n n 1 2 20 ________. 解析:设S 是数列{a }的前n项和,|a|+|a|+…+|a |=(a+a+…+a )-(a +a +…+ n n 1 2 20 1 2 11 12 13 a )=S -(S -S )=2S -S ,而S ==55,S =10×20+×(-1)=10,∴|a|+|a|+…+| 20 11 20 11 11 20 11 20 1 2 a |=100. 20 答案:100考点一 等差数列的基本运算 [典题例析] (1)设等差数列{a }的前n项和为S ,S =22,a=-12,若a =30,则m=( ) n n 11 4 m A.9 B.10 C.11 D.15 (2)(多选)设等差数列{a }的前n项和为S .若S=0,a=8,则( ) n n 3 4 A.S =2n2-6n B.S =n2-3n n n C.a =4n-8 D.a =2n n n (3)(2020·全国卷Ⅱ)记S 为等差数列{a }的前n项和.若a =-2,a +a =2,则S = n n 1 2 6 10 ________. [解析] (1)设等差数列{a }的公差为d,依题意得 n 解得 ∴a =a+(m-1)d=7m-40=30,∴m=10. m 1 (2)设等差数列{a }的公差为d, n 则解得 ∴a =a+(n-1)d=-4+4(n-1)=4n-8,S =na +=-4n+2n(n-1)=2n2-6n. n 1 n 1 (3)法一:设等差数列{a }的公差为d, n 则由a+a=2,得a+d+a+5d=2, 2 6 1 1 即-4+6d=2,解得d=1, 所以S =10×(-2)+×1=25. 10 法二:设等差数列{a }的公差为d, n 因为a+a=2a=2,所以a=1, 2 6 4 4 所以d===1, 所以S =10×(-2)+×1=25. 10 [答案] (1)B (2)AC (3)25 [方法技巧] 解决等差数列基本量计算问题的思路 (1)在等差数列{a }中,a 与d是最基本的两个量,一般可设出a 和d,利用等差数列的通项公 n 1 1 式和前n项和公式列方程(组)求解即可. (2)与等差数列有关的基本运算问题,主要围绕着通项公式a =a +(n-1)d和前n项和公式 n 1 S ==na +d,在两个公式中共涉及五个量:a,d,n,a ,S ,已知其中三个量,选用恰当的公 n 1 1 n n 式,利用方程(组)可求出剩余的两个量. [针对训练] 1.《九章算术》是我国古代的数学名著,书中有如下问题: “今有五人分五钱,令上二人 所得与下三人等,问各得几何?”其意思为“已知甲、乙、丙、丁、戊五人分五钱,甲、乙两人所得与丙、丁、戊三人所得相同,且甲、乙、丙、丁、戊所得依次成等差数列,问五人各得多少 钱?”(“钱”是古代一种质量单位),在这个问题中,甲得( ) A.钱 B.钱 C.钱 D.钱 解析:选C 甲、乙、丙、丁、戊五人所得钱数依次设为等差数列中的项a,a,a,a,a,设公 1 2 3 4 5 差为d,由题意知a+a=a+a+a=,即解得则甲得钱,故选C. 1 2 3 4 5 2.(2021·新高考全国卷Ⅰ)将数列{2n-1}与{3n-2}的公共项从小到大排列得到数列{a },则 n {a }的前n项和为________. n 解析:法一:观察归纳法 数列{2n-1}的各项为1,3,5,7,9,11,13,…;数列{3n-2}的各项为1,4,7,10,13,…. 观察归纳可知,两个数列的公共项为1,7,13,…,是首项为1,公差为6的等差数列, 则a =1+6(n-1)=6n-5. n 故前n项和S ===3n2-2n. n 法二:设b =2n-1,c =3n-2,b =c , n n n m 则2n-1=3m-2, 得n===+1, 于是m-1=2k,k∈N,所以m=2k+1,k∈N, 则a=3(2k+1)-2=6k+1,k∈N, k 得a =6n-5,n∈N*. n 故S ==3n2-2n. n 答案:3n2-2n考点二 等差数列的判定与证明 [典例] 已知数列{a }满足a=1,且na -(n+1)a =2n2+2n. n 1 n+1 n (1)求a,a; 2 3 (2)证明:数列是等差数列,并求{a }的通项公式. n [解] (1)由已知,得a-2a=4, 2 1 则a=2a+4,又a=1,所以a=6. 2 1 1 2 由2a-3a=12,得2a=12+3a,所以a=15. 3 2 3 2 3 (2)证明:由已知na -(n+1)a =2n2+2n, n+1 n 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a =2n2-n. n [方法技巧] 等差数列的判定与证明方法 方法 解读 适合题型 定义法 a -a (n≥2,n∈N*)为同一常数⇔{a }是等差数列 n n-1 n 解答题中 等差 2a =a +a (n≥3,n∈N*)成立⇔{a }是等差数列 证明问题 n-1 n n-2 n 中项法 通项 a =pn+q(p,q为常数)对任意的正整数n都成立⇔{a }是 n n 选择、填空 公式法 等差数列 题中的判定 前n项和 验证S n =An2+Bn(A,B是常数)对任意的正整数n都成 问题 公式法 立⇔{a }是等差数列 n [提醒] 用定义证明等差数列时,容易漏掉对起始项的检验,从而产生错解.比如,对于满足 a -a =1(n≥3)的数列{a }而言并不能判定其为等差数列,因为不能确定起始项a -a 是 n n-1 n 2 1 否等于1. [针对训练] 已知数列{a }满足(a -1)(a -1)=3(a -a ),a=2,令b =. n n+1 n n n+1 1 n (1)证明:数列{b }是等差数列; n (2)求数列{a }的通项公式. n 解:(1)证明:∵-==, ∴b -b =,∴{b }是等差数列. n+1 n n (2)由(1)及b===1, 1 知b =n+,∴a -1=,∴a =. n n n 考点三 等差数列的性质及应用 [典例] (1)在等差数列{a }中,若a+a=4,则log (2a1·2 a2·…·2 a10)=( ) n 5 6 2A.10 B.20 C.40 D.2+log 5 2 (2)在等差数列{a }中,S 为其前n项的和,已知3a=5a ,且a>0,若S 取得最大值,则n的 n n 8 13 1 n 值为( ) A.20 B.21 C.22 D.23 [解析] (1)由等差数列的性质知a +a =a +a =a +a =a +a =a +a =4,则2a1·2 a2·… 1 10 2 9 3 8 4 7 5 6 ·2 a10=2a1+a2+…+a10=25(a5+a6)=25×4,所以log (2a1·2 a2·…·2 a10)=log 25×4=20. 2 2 (2)设等差数列{a }的公差为d,由3a=5a 可得3(a+7d)=5(a+12d),即a=-d,∵a>0, n 8 13 1 1 1 1 ∴d<0,数列{a }为递减数列,∴a =a+19d=-d>0,a =a+20d=d<0, ∴当n=20 n 20 1 21 1 时,S 取得最大值. n [答案] (1)B (2)A [方法技巧] 利用等差数列的性质求解问题的注意点 (1)如果{a }为等差数列,m+n=p+q,则a +a =a+a(m,n,p,q∈N*).因此,若出现a , n m n p q m-n a ,a 等项时,可以利用此性质将已知条件转化为与a (或其他项)有关的条件;若求a 项, m m+n m m 可由a =(a +a )转化为求a ,a 或a +a 的值. m m-n m+n m-n m+n m+n m-n (2)和的性质:在等差数列{a }中,S 为其前n项和,则 n n ①S =n(a+a )=…=n(a +a ); 2n 1 2n n n+1 ②S ,S -S ,S -S ,…组成等差数列. n 2n n 3n 2n 本例(2)应用了性质②. [针对训练] 1.已知{a }为等差数列,a+a=18,则{a }的前9项和S 等于( ) n 2 8 n 9 A.9 B.17 C.72 D.81 解析:选D 由等差数列的性质可得,a+a=a+a=18,则{a }的前9项和S==9×=81. 1 9 2 8 n 9 故选D. 2.(2021·漳州质检)已知等差数列{a } 的前n项和为S .若S=7,S =21,则S 等于( ) n n 5 10 15 A.35 B.42 C.49 D.63 解析:选B 在等差数列{a }中,S,S -S,S -S 成等差数列,即7,14,S -21成等差数列, n 5 10 5 15 10 15 所以7+(S -21)=2×14,解得S =42. 15 15 考点四 等差数列的最值问题 [典例] (1)(多选)(2021·青岛一模)已知等差数列{a }的前n项和为S (n∈N*),公差d≠0,S= n n 6 90,a 是a 与a 的等比中项,则下列选项正确的是( ) 7 3 9 A.a=22 1 B.d=-2C.当n=10或n=11时,S 取得最大值 n D.当S >0时,n的最大值为20 n (2)在等差数列{a }中,已知a=13,3a=11a,则数列{a }的前n项和S 的最大值为________. n 1 2 6 n n [解析] (1)因为S=90,所以6a+d=90, 6 1 即2a+5d=30,① 1 又因为a 是a 与a 的等比中项,所以a=a·a, 7 3 9 3 9 所以(a+6d)2=(a+2d)(a+8d),整理得a=-10d,② 1 1 1 1 由①②解得a=20,d=-2,故A错误,B正确; 1 所以S =20n+×(-2)=-n2+21n=-2+, n 又n∈N*,所以当n=10或n=11时,S 取得最大值,故C正确; n 令S =-n2+21n>0,解得00,d<0时,满足的项数m使得S 取得最大值为S (当a =0时,S 也为最大值); 1 n m m+1 m+1 ②当a<0,d>0时,满足的项数m使得S 取得最小值为S (当a =0时,S 也为最小值). 1 n m m+1 m+1 [针对训练] 1.(多选)设{a }是等差数列,S 是其前n项和,且SS,则下列结论正确的是( n n 5 6 6 7 8 )A.d<0 B.a=0 7 C.S>S D.S 与S 均为S 的最大值 9 5 6 7 n 解析:选ABD 由{a }是等差数列,S 是其前n项和,且SS,则a=S-S>0,a n n 5 6 6 7 8 6 6 5 7 =S-S=0,a=S-S<0,a+a=S-S<0,则数列{a }为递减数列,即选项A、B正确; 7 6 8 8 7 7 8 8 6 n 由S-S=a+a+a+a=2(a+a)<0,得Sa>…>a>a=0>a>a>…,可得S 与S 均为S 的最大值,即选项D正确,故选A、B、D. 1 2 6 7 8 9 6 7 n 2.设等差数列{a }满足a=1,a >0(n∈N*),其前n项和为S ,若数列{}也为等差数列,则的最 n 1 n n 大值是________. 解析:设数列{a }的公差为d,依题意得2=+, n ∴2=+, 把a=1代入求得d=2, 1 ∴a =1+(n-1)×2=2n-1,S =n+×2=n2, n n ∴==2=2 =2≤121. ∴的最大值是121. 答案:121 创新考查方式——领悟高考新动向 1.中国古代数学著作《算法统宗》中有这样一个问题: “九百九十六斤绵,赠分八子作盘 缠,次第每人多十七,要将第八数来言,务要分明依次弟,孝和休惹外人传.”其意思为: “996斤棉花,分别赠送给8个子女作旅费,从第一个开始,以后每人依次多17斤,使孝顺子 女的美德外传,试求各人应分得多少斤.”则第3个子女分得棉花( ) A.65斤 B.82斤 C.99斤 D.106斤 解析:选C 设第一个孩子分配到a 斤棉花, 1 则由题意得S=8a+×17=996, 8 1 解得a=65. 1 则a=65+2×17=99(斤). 3 2.(多选)朱世杰是元代著名数学家,他所著的《算学启蒙》是一部在中国乃至世界最早的科学 普及著作.《算学启蒙》中涉及一些“堆垛”问题,主要利用“堆垛”研究数列以及数列的求 和问题.现有100根相同的圆形铅笔,小明模仿“堆垛”问题,将它们全部堆放成纵断面为 等腰梯形的“垛”,要求层数不小于2,且从最下面一层开始,每一层比上一层多1根,则该 “等腰梯形垛”应堆放的层数可以是( ) A.4 B.5 C.7 D.8解析:选BD 依据题意,根数从上至下构成等差数列,设首项即第一层的根数为a,公差为 1 d=1,设一共放n(n≥2)层,则总根数为:S =na +=na +=100,整理得2a=+1-n.因为 n 1 1 1 a∈N*,所以n为200的因数,+(1-n)≥2且为偶数,验证可知n=5,8满足题意. 1 3.(2020·全国卷Ⅱ)北京天坛的圜丘坛为古代祭天的场所,分上、中、下 三层.上层中心有一块圆形石板(称为天心石),环绕天心石砌9块扇面 形石板构成第一环,向外每环依次增加9块.下一层的第一环比上一 层的最后一环多9块,向外每环依次也增加9块.已知每层环数相同,且下层比中层多729块, 则三层共有扇面形石板(不含天心石)( ) A.3 699块 B.3 474块 C.3 402块 D.3 339块 解析:选C 由题意知,由天心石开始向外的每环的扇面形石板块数构成一个等差数列,记 为{a },易知其首项a=9,公差d=9,所以a =a+(n-1)d=9n. n 1 n 1 设数列{a }的前n项和为S , n n 由等差数列的性质知S ,S -S ,S -S 也成等差数列, n 2n n 3n 2n 所以2(S -S )=S +S -S , 2n n n 3n 2n 所以(S -S )-(S -S )=S -2S =-2×=9n2=729,得n=9, 3n 2n 2n n 2n n 所以三层共有扇面形石板的块数为S ===3 402,故选C. 3n 4.已知函数f(x)=log (x-1)+2,数列{a }是首项为2,公差为3的等差数列,则与f的大小关 2 n 系是( ) A.>f B.S D.S=S 4 1 4 1 解析:选B 设{a }的公差为d,由a=-6,a=6,得解得于是,S=-9,S=3×(-9)+×3 n 2 6 1 3 =-18,S=4×(-9)+×3=-18,所以S=S,S0时,n的最小值为( n n n) A.14 B.15 C.16 D.17 解析:选C ∵数列{a }是等差数列,它的前n项和S 有最小值, n n ∴公差d>0,首项a<0,{a }为递增数列. 1 n ∵<-1,∴a·a<0,a+a>0, 8 9 8 9 由等差数列的性质知, 2a=a+a <0,a+a=a+a >0. 8 1 15 8 9 1 16 ∵S =, n ∴当S >0时,n的最小值为16. n 6.《九章算术》一书中衰分、均输、盈不足等卷中记载了一些有关数列的问题.齐去长安三千 里,今有良马发长安至齐,驽马发齐至长安,同日相向而行.良马初日行一百五十五里,日增 十二里;驽马初日行一百里,日减二里.问几日相遇( ) A.十日 B.十一日 C.十二日 D.六十日 解析:选A 设良马每天行走的里数构成数列{a },驽马每天行走的里数构成数列{b },则 n n {a },{b }均为等差数列,公差分别为d,d.且a=155,d=12,b=100,d=-2,设n日相遇, n n 1 2 1 1 1 2 则由题意知155n+×12+100n+×(-2)=3 000,解得n=10. 7.已知{a },{b }均为等差数列,且a=4,a=6,b=3,b=9,由{a },{b }的公共项组成新数 n n 2 4 3 7 n n 列{c },则c =( ) n 10 A.18 B.24 C.30 D.36 解析:选C 因为数列{a }为等差数列,且a=4,a=6, n 2 4 所以其公差d==1,通项公式为a =n+2. 1 n 因为数列{b }为等差数列,且b=3,b=9, n 3 7 所以其公差d==,通项公式为b =-. 2 n 则a=b=3为数列{c }的第一项,a=b=6为数列{c }的第二项,a=b=9为数列{c }的第 1 3 n 4 5 n 7 7 n 三项,…,知{c }为等差数列,{c }的公差d=3,且c =3+(n-1)·3=3n, n n n 则c =3×10=30,故选C. 10 8.已知数列{a }满足5an+1=25·5an,且a+a+a=9,则log1 (a+a+a)=( ) n 2 4 6 5 7 9 3 A.-3 B.3 C.- D. 解析:选A 数列{a }满足5 an+1=25·5 an,∴a =a +2,即a -a =2, n n+1 n n+1 n ∴数列{a }是等差数列,公差为2. n ∵a+a+a=9,∴3a=9,a=3. 2 4 6 4 4∴a+3×2=3,解得a=-3. 1 1 ∴a+a+a=3a=3×(-3+6×2)=27, 5 7 9 7 则log1 (a+a+a)=log1 33=-3.故选A. 5 7 9 3 3 9.(多选)(2021·青岛模拟)设d,S 分别为等差数列{a }的公差与前n项和,若S =S ,则下列 n n 10 20 论断中正确的有( ) A.当n=15时,S 取最大值 B.当n=30时,S =0 n n C.当d>0时,a +a >0 D.当d<0时,|a |>|a | 10 22 10 22 解析:选BC 因为S =S ,所以10a+d=20a+d,解得a=-d.因为无法确定a 和d的正 10 20 1 1 1 1 负性,所以无法确定S 是否有最大值,故A错误.S =30a+d=30×+15×29d=0,故B正 n 30 1 确.a +a =2a =2(a+15d)=2=d>0,故C正确.a =a+9d=-d+d=-d,a =a+21d 10 22 16 1 10 1 22 1 =-d+d=d,因为d<0,所以|a |=-d,|a |=-d,|a |<|a |,故D错误. 10 22 10 22 10.已知等差数列{a }的公差为-2,前n项和为S ,a,a,a 为某三角形的三边长,且该三角 n n 3 4 5 形有一个内角为120°,若S ≤S 对任意的n∈N*恒成立,则实数m=( ) n m A.7 B.6 C.5 D.4 解析:选B ∵等差数列{a }的公差为-2,a,a,a 为某三角形的三边长,且该三角形有一个 n 3 4 5 内角为120°, ∴a=a+a-2a·acos 120°, 4 5 即(a+2)2=a+(a-2)2+2a(a-2)×, 4 4 4 4 化为a-5a=0,又a≠0,解得a=5, 4 4 4 ∴a=7,a=3,a=1,a=-1. 3 5 6 7 ∵S ≤S 对任意的n∈N*恒成立,∴实数m=6.故选B. n m 11.等差数列{a },{b }满足:对任意n∈N*,都有=,则+=________. n n 解析:由等差数列的性质可得b+b=b+b=2b, 3 9 4 8 6 a+a=2a. 7 5 6 ∴+=====1. 答案:1 12.已知数列{a }满足递推关系式a =2a +2n-1(n∈N*),且为等差数列,则λ的值是 n n+1 n ________. 解析:因为为等差数列,a =2a +2n-1, n+1 n 所以-=-=++--=+-是与n无关的常数, 则-=0,即=0,则λ-1-2λ=0, 解得λ=-1. 答案:-1 13.等差数列{a }中,S 是它的前n项和,且SS,给出下列结论: n n 6 7 6 8①数列{a }的公差d<0;②SS, 6 7 6 8 ∴SS+a+a. 6 6 7 6 6 7 8 ∴a>0,a+a<0. 7 7 8 ∴a>0,a<0. 7 8 ①数列{a }的公差d<0,正确; n ②由①得a+a+a<0,∴S+a+a+aa, 3 5 3 5 解方程x2+8x+7=0,得a=-1,a=-7, 3 5∴解得a=5,d=-3. 1 ∴a =5+(n-1)×(-3)=-3n+8. n (2)由(1)知{a }的前n项和S =5n+×(-3)=-n2+n. n n ∵b =|a |,∴b=5,b=2,b=|-1|=1,b=|-4|=4, n n 1 2 3 4 当n≥3时,b =|a |=3n-8. n n 当n<3时,T=5,T=7; 1 2 当n≥3时,T =-S +2S=-+14. n n 2 ∵T ≥1 464,∴T =-+14≥1 464, n n 即(3n-100)(n+29)≥0,解得n≥, ∴n的最小值为34.