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第2 节 等差数列及其前n 项和
考试要求 1.理解等差数列的概念.2.掌握等差数列的通项公式与前n 项和公式.
3.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.4.了解等差数列与一次函数的关系.
1.等差数列的概念
(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.
数学语言表达式:an+1-an=d(n∈N*,d 为常数).
(2)等差中项:由三个数a,A,b 组成的等差数列可以看成是最简单的等差数列,
这时A 叫做a 与b 的等差中项,根据等差数列的定义可以知道,2A=a +
b .
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 .
(2)前n 项和公式:Sn=na1+=.
3.等差数列的性质
(1)通项公式的推广:an=am+( n -
m ) d (n,m∈N*).
(2)若{an}为等差数列,且k+l=m+n(k,l,m,n∈N*),则ak+
a l=
a m+
a n.
(3)若{an}是等差数列,公差为d,则ak,ak+m,ak+2m,…(k,m∈N*)是公差为md
的等差数列.
(4)若Sn为等差数列{an}的前n 项和,则数列Sm,S2m-Sm,S3m-S2m,…也是等差
数列.
(5)若Sn为等差数列{an}的前n 项和,则数列也为等差数列.
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,且公差为p.
2.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.
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3.等差数列{an}的单调性:当d>0 时,{an}是递增数列;当d<0 时,{an}是递减
数列;当d=0 时,{an}是常数列.
4.数列{an}是等差数列⇔Sn=An2+Bn(A,B 为常数).
1.思考辨析(在括号内打“√”或“×”)
(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)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.( )
(4)等差数列的前n 项和公式是常数项为0 且关于n 的二次函数.( )
答案 (1)√ (2)√ (3)× (4)×
解析 (3)若公差d=0,则通项公式不是n 的一次函数.
(4)若公差d=0,则前n 项和不是n 的二次函数.
2.(2022·福州质检)在等差数列{an}中,若a1+a2=5,a3+a4=15,则a5+a6=(
)
A.10
B.20
C.25
D.30
答案 C
解析 等差数列{an}中,每相邻2 项的和仍然构成等差数列,设其公差为d,若
a1+a2=5,a3+a4=15,则d=15-5=10,因此a5+a6=(a3+a4)+d=15+10=
25.
3.(2022·青岛一模)记Sn为等差数列{an}的前n 项和,若a1=1,S3=,则数列{an}
的通项公式an=( )
A.n
B.
C.2n-1
D.
答案 B
解析 设等差数列{an}的公差为d,则S3=3a1+d=3+3d=,解得d=,
∴an=1+(n-1)×=.
4.(2021·杭州二模)已知{an}是等差数列,满足3(a1+a5)+2(a3+a6+a9)=18,则该
数列的前8 项和为( )
A.36
B.24
C.16
D.12
答案 D
解析 由等差数列性质可得a1+a5=2a3,a3+a6+a9=3a6,所以3×2a3+2×3a6
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=18,即a3+a6=3,所以S8===12.
5.(多选)设{an}是等差数列,Sn是其前n 项的和,且S5<S6,S6=S7>S8,则下列
结论正确的是( )
A.d<0
B.a7=0
C.S9>S5
D.S6与S7均为Sn的最大值
答案 ABD
解析 S6=S5+a6>S5,则a6>0,S7=S6+a7=S6,则a7=0,则d=a7-a6<0,S8
=S7+a8<S7,a8<0,则a9<0,又a6+a8=a5+a9=2a7=0,∴S5>S9,
由a7=0,a6>0 知S6,S7是Sn中的最大值.
从而ABD 均正确.
6.一物体从1 960 m 的高空降落,如果第1 秒降落4.90 m,以后每秒比前一秒多
降落9.80 m,那么经过________秒落到地面.
答案 20
解析 设物体经过t 秒降落到地面.
物体在降落过程中,每一秒降落的距离构成首项为4.90,公差为9.80 的等差数
列.
所以4.90t+t(t-1)×9.80=1 960,
即4.90t2=1 960,解得t=20.
考点一 等差数列的基本运算
1.记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 设等差数列{an}的公差为d,则3(3a1+3d)=2a1+d+4a1+6d,即d=-a1.
又a1=2 得∴d=-3,
∴a5=a1+4d=2+4×(-3)=-10.
2.(2021·武汉调研)已知等差数列{an}的前n 项和为Sn,若S8=a8=8,则公差d=(
)
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A.
B.
C.1
D.2
答案 D
解析 ∵S8=a8=8,∴a1+a2+…+a8=a8,
∴S7=7a4=0,则a4=0.
∴d==2.
3.(2020·全国Ⅱ卷)记Sn为等差数列{an}的前n 项和.若a1=-2,a2+a6=2,则S10
=________.
答案 25
解析 设等差数列{an}的公差为d,
则a2+a6=2a1+6d=2×(-2)+6d=2.
解得d=1.
所以S10=10×(-2)+×1=25.
4.(2020·新高考全国Ⅰ卷)将数列{2n-1}与{3n-2}的公共项从小到大排列得到数
列{an},则{an}的前n 项和为__________.
答案 3n2-2n
解析 法一(观察归纳法) 数列的各项为1,3,5,7,9,11,13,…;数列{3n
-2}的各项为1,4,7,10,13,….现观察归纳可知,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an=1+6(n-1)=6n-5.
故前n 项和为Sn=
==3n2-2n.
法二(引入参变量法) 令bn=2n-1,cm=3m-2,bn=cm,则2n-1=3m-2,即
3m=2n+1,m 必为奇数.
令m=2t-1,则n=3t-2(t=1,2,3,…).
at=b3t-2=c2t-1=6t-5,即an=6n-5.
以下同法一.
感悟提升 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,体现了用方程的思想来解决问题.
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作用,而a1和d 是等差
数列的两个基本量,用它们表示已知和未知是常用方法.
考点二 等差数列的判定与证明
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例1 (2021·全国甲卷)已知数列{an}的各项均为正数,记Sn为{an}的前n 项和,从
下面①②③中选取两个作为条件,证明另外一个成立.
①数列{an}是等差数列;②数列{}是等差数列;③a2=3a1.
注:若选择不同的组合分别解答,则按第一个解答计分.
解 ①③⇒②.
已知{an}是等差数列,a2=3a1.
设数列{an}的公差为d,则a2=3a1=a1+d,得d=2a1,
所以Sn=na1+d=n2a1.
因为数列{an}的各项均为正数,
所以=n,
所以-=(n+1)-n=(常数),所以数列{}是等差数列.
①②⇒③.
已知{an}是等差数列,{}是等差数列.
设数列{an}的公差为d,
则Sn=na1+d=n2d+n.
因为数列{}是等差数列,所以数列{}的通项公式是关于n 的一次函数,则a1-=
0,即d=2a1,所以a2=a1+d=3a1.
②③⇒①.
已知数列{}是等差数列,a2=3a1,所以S1=a1,S2=a1+a2=4a1.设数列{}的公差
为d,d>0,则-=-=d,得a1=d2,所以=+(n-1)d=nd,所以Sn=n2d2,
所以n≥2 时,an=Sn-Sn-1=n2d2-(n-1)2d2=2d2n-d2,对n=1 也适合,所以an
=2d2n-d2,所以an+1-an=2d2(n+1)-d2-(2d2n-d2)=2d2(常数),所以数列{an}
是等差数列.
感悟提升 1.证明数列是等差数列的主要方法:
(1)定义法:对于n≥2 的任意自然数,验证an-an-1为同一常数.即作差法,将关
于an-1的an代入an-an-1,再化简得到定值.
(2)等差中项法:验证2an-1=an+an-2(n≥3,n∈N*)都成立.
2.判定一个数列是等差数列还常用到的结论:
(1)通项公式:an=pn+q(p,q 为常数)⇔{an}是等差数列.
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(2)前n 项和公式:Sn=An2+Bn(A,B 为常数)⇔{an}是等差数列.问题的最终判定
还是利用定义.
训练1 (2021·全国乙卷)设Sn为数列{an}的前n 项和,bn为数列{Sn}的前n 项积,
已知+=2.
(1)证明:数列{bn}是等差数列;
(2)求{an}的通项公式.
(1)证明 因为bn是数列{Sn}的前n 项积,
所以n≥2 时,Sn=,
代入+=2 可得,+=2,
整理可得2bn-1+1=2bn,
即bn-bn-1=(n≥2).
又+==2,所以b1=,
故{bn}是以为首项,为公差的等差数列.
(2)解 由(1)可知,bn=+(n-1)=,则+=2,所以Sn=,
当n=1 时,a1=S1=,
当n≥2 时,an=Sn-Sn-1=-=-.
故an=
考点三 等差数列的性质及应用
角度1 等差数列项的性质
例2 (1)设Sn为等差数列{an}的前n 项和,且4+a5=a6+a4,则S9等于( )
A.72
B.36
C.18
D.9
答案 B
解析 ∵a6+a4=2a5,∴a5=4,
∴S9==9a5=36.
(2)在等差数列{an}中,若a5+a6=4,则log2(2a
1·2a
2·…·2a
10)=( )
A.10
B.20
C.40
D.2+log25
答案 B
解析 由等差数列的性质知a1+a10=a2+a9=a3+a8=a4+a7=a5+a6=4,则
2a
1·2a
2·…·2a
10=2a1+a2+…+a10=25(a5+a6)=25×4,所以log2(2a
1·2a
2·…·2a
10)=log225×4=
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20.
角度2 等差数列前n 项和的性质
例3 (1)已知等差数列{an}的前n 项和为Sn.若S5=7,S10=21,则S15等于( )
A.35
B.42
C.49
D.63
答案 B
解析 在等差数列{an}中,S5,S10-S5,S15-S10成等差数列,即7,14,S15-21
成等差数列,所以7+(S15-21)=2×14,解得S15=42.
(2)(2020·全国Ⅱ卷)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
答案 C
解析 设每一层有n 环,由题可知从内到外每环之间构成公差d=9,a1=9 的等
差数列.由等差数列的性质知Sn,S2n-Sn,S3n-S2n成等差数列,且(S3n-S2n)-(S2n
-Sn)=n2d,则9n2=729,得n=9,则三层共有扇面形石板S3n=S27=27×9+×9
=3 402(块).
角度3 等差数列前n 项和的最值
例4 等差数列{an}中,设Sn为其前n 项和,且a1>0,S3=S11,则当n 为多少时,
Sn最大?
解 法一 设公差为d.由S3=S11,可得3a1+d=11a1+d,即d=-a1.
从而Sn=n2+n=-(n-7)2+a1,
因为a1>0,所以-<0.
故当n=7 时,Sn最大.
法二 易知Sn=An2+Bn 是关于n 的二次函数,
由S3=S11,可知Sn=An2+Bn 的图象关于直线n==7 对称.
由解法一可知A=-<0,故当n=7 时,Sn最大.
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法三 设公差为d.由解法一可知d=-a1.
要使Sn最大,则有
即解得6.5≤n≤7.5,
故当n=7 时,Sn最大.
法四 设公差为d.由S3=S11,可得2a1+13d=0,
即(a1+6d)+(a1+7d)=0,故a7+a8=0,
又由a1>0,S3=S11可知d<0,
所以a7>0,a8<0,所以当n=7 时,Sn最大.
感悟提升 1.项的性质:在等差数列{an}中,若m+n=p+q(m,n,p,q∈N*),
则am+an=ap+aq.
2.和的性质:在等差数列{an}中,Sn为其前n 项和,则
(1)S2n=n(a1+a2n)=…=n(an+an+1);
(2)S2n-1=(2n-1)an.
(3)依次k 项和成等差数列,即Sk,S2k-Sk,S3k-S2k,…成等差数列.
3.求等差数列前n 项和的最值,常用的方法:(1)利用等差数列的单调性,求出其
正负转折项,或者利用性质求其正负转折项,便可求得和的最值;(2)利用公差
不为零的等差数列的前n 项和Sn=An2+Bn(A,B 为常数,A≠0)为二次函数,通
过二次函数的性质求最值.
训练2 (1)(多选)(2022·淄博调研)已知等差数列{an}的公差为d,前n 项和为Sn,
当首项a1和d 变化时,a2+a8+a11是一个定值,则下列各数也为定值的是( )
A.a7
B.a8
C.S13
D.S15
答案 AC
解析 由题知a2+a8+a11=a1+d+a1+7d+a1+10d=3a1+18d=3(a1+6d)=
3a7,∴a7是定值,∴S13==13a7是定值,故选AC.
(2)(2022·重庆诊断)已知Sn是等差数列{an}的前n 项和,若a1=-2 020,-=6,
则S2 023等于( )
A.2 023
B.-2 023
C.4 046
D.-4 046
答案 C
解析 ∵为等差数列,设公差为d′,
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则-=6d′=6,∴d′=1,
首项为=-2 020,
∴=-2 020+(2 023-1)×1=2,
∴S2 023=2 023×2=4 046,故选C.
(3)设等差数列{an}满足a1=1,an>0(n∈N*),其前n 项和为Sn,若数列{}也为等
差数列,则的最大值是________.
答案 121
解析 设数列{an}的公差为d,依题意得
2=+,
∴2=+,
把a1=1 代入求得d=2,
∴an=1+(n-1)×2=2n-1,
Sn=n+×2=n2,
∴==
==≤121.
∴的最大值是121.
1.已知公差不为0 的等差数列{an}中,a2+a4=a6,a9=a,则a10=( )
A.
B.5
C.10
D.40
答案 A
解析 设公差为d,由已知得
由于d≠0,
故a1=d=,所以a10=+×9=.
2.(多选)记Sn为等差数列{an}的前n 项和.已知S4=0,a5=5,则下列选项正确的
是( )
A.a2+a3=0
B.an=2n-5
C.Sn=n(n-4)
D.d=-2
答案 ABC
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解析 S4==0,
∴a1+a4=a2+a3=0,A 正确;
a5=a1+4d=5,①
a1+a4=a1+a1+3d=0,②
联立①②得∴an=-3+(n-1)×2=2n-5,B 正确,D 错误;
Sn=-3n+×2=n2-4n,C 正确,故选ABC.
3.已知数列{an}满足5an+1=25·5an,且a2+a4+a6=9,则log(a5+a7+a9)=( )
A.-3
B.3
C.-
D.
答案 A
解析 数列{an}满足5an+1=25·5an,
∴an+1=an+2,即an+1-an=2,
∴数列{an}是等差数列,公差为2.
∵a2+a4+a6=9,∴3a4=9,a4=3.
∴a1+3×2=3,解得a1=-3.
∴a5+a7+a9=3a7=3×(-3+6×2)=27,
则log(a5+a7+a9)=log33=-3.故选A.
4.(2021·深圳一模)在数列{an}中,a1=3,am+n=am+an(m,n∈N*),若a1+a2+a3
+…+ak=135,则k=( )
A.10
B.9
C.8
D.7
答案 B
解析 令m=1,由am+n=am+an可得an+1=a1+an,所以an+1-an=3,
所以{an}是首项为a1=3,公差为3 的等差数列,an=3+3(n-1)=3n,
所以a1+a2+a3+…+ak===135.
整理可得k2+k-90=0,解得k=9 或k=-10(舍).
5.(多选)(2022·衡阳联考)设数列{an}的前n 项和为Sn,若为常数,则称数列{an}为
“吉祥数列”,则下列数列{bn}为“吉祥数列”的是( )
A.bn=n
B.bn=(-1)n(n+1)
C.bn=4n-2
D.bn=2n
答案 BC
解析 若{bn}是等差数列,则根据等差数列求和公式知需b1+bn=kn,k∈R,则
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{bn}为“吉祥数列”,检验A,C 可知C 符合题意;
{bn}是摆动数列,由并项求和法知S2n=n,S4n=2n,==,故B 符合题意;
根据等比数列求和公式知D 不符合题意.故选BC.
6.设Sn为等差数列{an}的前n 项和,若S6=1,S12=4,则S18=________.
答案 9
解析 在等差数列中,S6,S12-S6,S18-S12成等差数列,
∵S6=1,S12=4,∴1,3,S18-4 成公差为2 的等差数列,
即S18-4=5,∴S18=9.
7.等差数列{an}与{bn}的前n 项和分别为Sn和Tn,若=,则等于________.
答案
解析 ======.
8.(2021·长春一模)设Sn 为等差数列{an}的前n 项和,a6+a7=1,则S12=
________,若a7<0,则使得不等式Sn<0 成立的最小整数n=________.
答案 6 13
解析 根据{an}为等差数列,且a6+a7=1,得S12==6(a6+a7)=6;
若a7<0,则S13==13a7<0,
又S12>0,所以使不等式Sn<0 成立的最小整数n=13.
9.已知数列{an}的前n 项和为Sn,满足a1=,a2=2,2(Sn+2+Sn)=4Sn+1+1,则数
列{an}的前16 项和S16=________.
答案 84
解析 将2(Sn+2+Sn)=4Sn+1+1 变形为(Sn+2-Sn+1)-(Sn+1-Sn)=,即an+2-an+1
=,又a1=,a2=2,∴a2-a1=符合上式,∴{an}是首项a1=,公差d=的等差数
列,∴S16=16×+×=84.
10.已知等差数列的前三项依次为a,4,3a,前n 项和为Sn,且Sk=110.
(1)求a 及k 的值;
(2)设数列{bn}的通项公式bn=,证明:数列{bn}是等差数列,并求其前n 项和Tn.
(1)解 设该等差数列为{an},则a1=a,a2=4,a3=3a,
由已知有a+3a=8,得a1=a=2,公差d=4-2=2,
所以Sk=ka1+·d
=2k+×2=k2+k,
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由Sk=110,得k2+k-110=0,
解得k=10 或k=-11(舍去),
故a=2,k=10.
(2)证明 由(1)得Sn==n(n+1),
则bn==n+1,
故bn+1-bn=(n+2)-(n+1)=1,
即数列{bn}是首项为2,公差为1 的等差数列,
所以Tn==.
11.已知公差大于零的等差数列{an}的前n 项和为Sn,且满足a2a4=65,a1+a5=
18.
(1)求数列{an}的通项公式;
(2)是否存在常数k,使得数列{}为等差数列?若存在,求出常数k;若不存在,
请说明理由.
解 (1)设公差为d.∵{an}为等差数列,
∴a1+a5=a2+a4=18,又a2a4=65,
∴a2,a4是方程x2-18x+65=0 的两个根,
又公差d>0,∴a2<a4,∴a2=5,a4=13.
∴∴∴an=4n-3.
(2)由(1)知,Sn=n+×4=2n2-n,
假设存在常数k,使数列{}为等差数列.
由+=2,
得+=2,解得k=1.
∴==n,
当n≥2 时,n-(n-1)=,为常数,
∴数列{}为等差数列.
故存在常数k=1,使得数列{}为等差数列.
12.(多选)(2021·南通海门一中期末)在悠久灿烂的中国古代文化中,数学文化是其
中一朵绚丽的奇葩.《张丘建算经》是我国古代有标志性的内容丰富的众多数学
名著之一,大约创作于公元5 世纪.书中有如下问题:“今有女善织,日益功疾,
初日织五尺,今一月织九匹三丈,问日益几何?”.其大意为:“有一女子擅长
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织布,织布的速度一天比一天快,从第二天起,每天比前一天多织相同数量的布,
第一天织5 尺,一个月共织了九匹三丈,问从第二天起,每天比前一天多织多少
尺布?”.已知1 匹=4 丈,1 丈=10 尺,若这一个月有30 天,记该女子这一个
月中第n 天所织布的尺数为an,bn=2an,对于数列{an}、{bn},下列选项中正确
的为( )
A.b10=8b5
B.{bn}是等比数列
C.a1b30=105
D.=
答案 BD
解析 由题意可知,数列{an}为等差数列,设数列{an}的公差为d,
由题意可得a1=5,30a1+=390,解得d=,
∴an=a1+(n-1)d=.
∵bn=2an,∴==2an+1-an=2d(非零常数),
则数列{bn}是等比数列,B 正确;
∵5d=5×=≠3,=(2d)5=25d≠23,
∴b10≠8b5,A 错误;
a30=a1+29d=5+16=21,
∴a1b30=5×221>105,C 错误;
a4=a1+3d=5+3×=,a5=a1+4d=5+4×=,
所以===,D 正确.故选BD.
13.(2022·衡水模拟)已知在数列{an}中,a6=11,且nan-(n-1)an+1=1,则an=
________;的最小值为________.
答案 2n-1 44
解析 nan-(n-1)an+1=1,
∴(n+1)an+1-nan+2=1,
两式相减得nan-2nan+1+nan+2=0,
∴an+an+2=2an+1,
∴数列{an}为等差数列.
当n=1 时,由nan-(n-1)an+1=1 得a1=1,
由a6=11,得公差d=2,
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∴an=1+2(n-1)=2n-1,
∴=
=4n+-4≥2-4=44,
当且仅当4n=,即n=6 时等号成立.
14.等差数列{an}中,公差d<0,a2+a6=-8,a3a5=7.
(1)求{an}的通项公式;
(2)记Tn为数列{bn}前n 项的和,其中bn=|an|,n∈N*,若Tn≥1 464,求n 的最小
值.
解 (1)∵等差数列{an}中,公差d<0,a2+a6=-8,
∴a2+a6=a3+a5=-8,又∵a3a5=7,
∴a3,a5是一元二次方程x2+8x+7=0 的两个根,且a3>a5,
解方程x2+8x+7=0,得a3=-1,a5=-7,
∴解得a1=5,d=-3.
∴an=5+(n-1)×(-3)=-3n+8.
(2)由(1)知{an}的前n 项和Sn=5n+×(-3)=-n2+n.
∵bn=|an|,∴b1=5,b2=2,b3=|-1|=1,b4=|-4|=4,
当n≥3 时,bn=|an|=3n-8.
当n<3 时,T1=5,T2=7;
当n≥3 时,Tn=-Sn+2S2=-+14.
∵Tn≥1 464,∴Tn=-+14≥1 464,
即(3n-100)(n+29)≥0,解得n≥,
∴n 的最小值为34.
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