文档内容
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.