§6.2 等差数列及其前n 项和1. 等差数列的定义如果一个数列从第2项起,每一项与它的前一项的差是同一个常数,我们称这样的数列为等差数列,这个常数叫作等差数列的公差,通常用字母__d __表示. 2. 等差数列的通项公式如果等差数列{a n }的首项为a 1,公差为d ,那么它的通项公式是a n =a 1+(n -1)d . 3. 等差中项如果A =a +b2,那么A 叫作a 与b 的等差中项.4. 等差数列的常用性质(1)通项公式的推广:a n =a m +(n -m )d ,(n ,m ∈N +).(2)若{a n }为等差数列,且k +l =m +n ,(k ,l ,m ,n ∈N +),则a k +a l =a m +a n . (3)若{a n }是等差数列,公差为d ,则{a 2n }也是等差数列,公差为2d . (4)若{a n },{b n }是等差数列,则{pa n +qb n }也是等差数列.(5)若{a n }是等差数列,公差为d ,则a k ,a k +m ,a k +2m ,…(k ,m ∈N +)是公差为md 的等差数列.5. 等差数列的前n 项和公式设等差数列{a n }的公差为d ,其前n 项和S n =n (a 1+a n )2或S n =na 1+n (n -1)2d .6. 等差数列的前n 项和公式与函数的关系S n =d2n 2+⎝⎛⎭⎫a 1-d 2n . 数列{a n }是等差数列⇔S n =An 2+Bn (A 、B 为常数). 7. 等差数列的前n 项和的最值在等差数列{a n }中,a 1>0,d <0,则S n 存在最__大__值;若a 1<0,d >0,则S n 存在最__小__值.1. 判断下面结论是否正确(请在括号中打“√”或“×”)(1)若一个数列从第2项起每一项与它的前一项的差都是常数,则这个数列是等差数列.( × )(2)数列{a n }为等差数列的充要条件是对任意n ∈N +,都有2a n +1=a n +a n +2. ( √ ) (3)等差数列{a n }的单调性是由公差d 决定的.( √ ) (4)数列{a n }为等差数列的充要条件是其通项公式为n 的一次函数. ( × ) (5)数列{a n }满足a n +1-a n =n ,则数列{a n }是等差数列.( × )(6)已知数列{a n }的通项公式是a n =pn +q (其中p ,q 为常数),则数列{a n }一定是等差数列.( √ )2. 设{a n }为等差数列,公差d =-2,S n 为其前n 项和,若S 10=S 11,则a 1等于 ( )A .18B .20C .22D .24答案 B解析 因为S 10=S 11,所以a 11=0. 又因为a 11=a 1+10d ,所以a 1=20.3. (2012·辽宁)在等差数列{a n }中,已知a 4+a 8=16,则该数列前11项和S 11等于 ( )A .58B .88C .143D .176答案 B解析 S 11=11(a 1+a 11)2=11(a 4+a 8)2=88.4. (2013·课标全国Ⅰ)设等差数列{a n }的前n 项和为S n ,S m -1=-2,S m =0,S m +1=3,则m等于( )A .3B .4C .5D .6答案 C解析 a m =2,a m +1=3,故d =1, 因为S m =0,故ma 1+m (m -1)2d =0,故a 1=-m -12,因为a m +a m +1=5, 故a m +a m +1=2a 1+(2m -1)d =-(m -1)+2m -1=5, 即m =5.5. (2013·课标全国Ⅱ)等差数列{a n }的前n 项和为S n ,已知S 10=0,S 15=25,则nS n 的最小值为________. 答案 -49解析 由题意知a 1+a 10=0,a 1+a 15=103.两式相减得a 15-a 10=103=5d ,∴d =23,a 1=-3.∴nS n =n ·⎝⎛⎭⎫na 1+n (n -1)2d =n 3-10n 23=f (n ), 令f (x )=x 3-10x 23,x >0,f ′(x )=13x (3x -20).令f ′(x )=0得x =0(舍)或x =203.当x >203时,f (x )是单调递增的;当0<x <203时,f (x )是单调递减的.故当n =7时,f (n )取最小值,f (n )min =-49. ∴nS n 的最小值为-49.题型一 等差数列的基本运算例1 在等差数列{a n }中,a 1=1,a 3=-3.(1)求数列{a n }的通项公式;(2)若数列{a n }的前k 项和S k =-35,求k 的值.思维启迪 等差数列基本量的计算,基本思想就是根据条件列方程,求等差数列的首项与公差.解 (1)设等差数列{a n }的公差为d ,则a n =a 1+(n -1)d . 由a 1=1,a 3=-3,可得1+2d =-3,解得d =-2. 从而a n =1+(n -1)×(-2)=3-2n . (2)由(1)可知a n =3-2n , 所以S n =n [1+(3-2n )]2=2n -n 2.由S k =-35,可得2k -k 2=-35, 即k 2-2k -35=0,解得k =7或k =-5. 又k ∈N +,故k =7.思维升华 (1)等差数列的通项公式及前n 项和公式,共涉及五个量a 1,a n ,d ,n ,S n ,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a 1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.(1)若等差数列{a n }的前5项和S 5=25,且a 2=3,则a 7等于( )A .12B .13C .14D .15(2)记等差数列{a n }的前n 项和为S n ,若a 1=12,S 4=20,则S 6等于( ) A .16B .24C .36D .48(3)已知等差数列{a n }的前n 项和为S n ,且满足S 33-S 22=1,则数列{a n }的公差是( )A.12B .1C .2D .3答案 (1)B (2)D (3)C解析 (1)由题意得S 5=5(a 1+a 5)2=5a 3=25,故a 3=5,公差d =a 3-a 2=2,a 7=a 2+5d=3+5×2=13.(2)∵S 4=2+6d =20,∴d =3,故S 6=3+15d =48. (3)∵S n =n (a 1+a n )2,∴S n n =a 1+a n 2,又S 33-S 22=1,得a 1+a 32-a 1+a 22=1,即a 3-a 2=2, ∴数列{a n }的公差为2. 题型二 等差数列的性质及应用例2 (1)设等差数列{a n }的前n 项和为S n ,若S 3=9,S 6=36,则a 7+a 8+a 9等于 ( )A .63B .45C .36D .27(2)若一个等差数列前3项的和为34,最后3项的和为146,且所有项的和为390,则这个数列的项数为( )A .13B .12C .11D .10(3)已知S n 是等差数列{a n }的前n 项和,若a 1=-2 014,S 2 0142 014-S 2 0082 008=6,则S 2 013等于( )A .2 013B .-2 013C .-4 026D .4 026思维启迪 (1)根据S 3,S 6-S 3,S 9-S 6为等差数列解此题;(2)利用a 1+a n =a 2+a n -1=a 3+a n -2求n ;(3)数列{S nn }为等差数列.答案 (1)B (2)A (3)C解析 (1)由{a n }是等差数列,得S 3,S 6-S 3,S 9-S 6为等差数列.即2(S 6-S 3)=S 3+(S 9-S 6),得到S 9-S 6=2S 6-3S 3=45,故选B.(2)因为a 1+a 2+a 3=34,a n -2+a n -1+a n =146, a 1+a 2+a 3+a n -2+a n -1+a n =34+146=180, 又因为a 1+a n =a 2+a n -1=a 3+a n -2, 所以3(a 1+a n )=180,从而a 1+a n =60, 所以S n =n (a 1+a n )2=n ·602=390,即n =13.(3)由等差数列的性质可得{S nn }也为等差数列.又∵S 2 0142 014-S 2 0082 008=6d =6,∴d =1.故S 2 0132 013=S 11+2 012d =-2 014+2 012=-2, ∴S 2 013=-2×2 013=-4 026,故选C.思维升华 在等差数列{a n }中,数列S m ,S 2m -S m ,S 3m -S 2m 也成等差数列;{S nn }也是等差数列.等差数列的性质是解题的重要工具.(1)设数列{a n }是等差数列,若a 3+a 4+a 5=12,则a 1+a 2+…+a 7等于( )A .14B .21C .28D .35(2)已知等差数列{a n }的前n 项和为S n ,且S 10=10,S 20=30,则S 30=________. 答案 (1)C (2)60解析 (1)∵a 3+a 4+a 5=3a 4=12,∴a 4=4, ∴a 1+a 2+…+a 7=7a 4=28.(2)∵S 10,S 20-S 10,S 30-S 20成等差数列, ∴2(S 20-S 10)=S 10+S 30-S 20, ∴40=10+S 30-30,∴S 30=60. 题型三 等差数列的前n 项和及其最值例3 (1)在等差数列{a n }中,已知a 1=20,前n 项和为S n ,且S 10=S 15,求当n 取何值时,S n 取得最大值,并求出它的最大值;(2)已知数列{a n }的通项公式是a n =4n -25,求数列{|a n |}的前n 项和.思维启迪:(1)由a 1=20及S 10=S 15可求得d ,进而求得通项,由通项得到此数列前多少项为正,或利用S n 是关于n 的二次函数,利用二次函数求最值的方法求解.(2)利用等差数列的性质,判断出数列从第几项开始变号. 解 (1)方法一 ∵a 1=20,S 10=S 15,∴10×20+10×92d =15×20+15×142d ,∴d =-53.∴a n =20+(n -1)×⎝⎛⎭⎫-53=-53n +653. ∴a 13=0,即当n ≤12时,a n >0,n ≥14时,a n <0,∴当n =12或13时,S n 取得最大值,且最大值为S 13=S 12=12×20+12×112×⎝⎛⎭⎫-53=130.方法二 同方法一求得d =-53.∴S n =20n +n (n -1)2·⎝⎛⎭⎫-53=-56n 2+1256n =-56⎝⎛⎭⎫n -2522+3 12524. ∵n ∈N +,∴当n =12或13时,S n 有最大值,且最大值为S 12=S 13=130. 方法三 同方法一求得d =-53.又由S 10=S 15得a 11+a 12+a 13+a 14+a 15=0. ∴5a 13=0,即a 13=0.∴当n =12或13时,S n 有最大值. 且最大值为S 12=S 13=130.(2)∵a n =4n -25,a n +1=4(n +1)-25, ∴a n +1-a n =4=d ,又a 1=4×1-25=-21.所以数列{a n }是以-21为首项,以4为公差的递增的等差数列.令⎩⎪⎨⎪⎧a n =4n -25<0, ①a n +1=4(n +1)-25≥0, ②由①得n <614;由②得n ≥514,所以n =6.即数列{|a n |}的前6项是以21为首项,公差为-4的等差数列,从第7项起以后各项构成公差为4的等差数列, 而|a 7|=a 7=4×7-25=3. 设{|a n |}的前n 项和为T n ,则T n=⎩⎨⎧21n +n (n -1)2×(-4) (n ≤6)66+3(n -6)+(n -6)(n -7)2×4 (n ≥7)=⎩⎪⎨⎪⎧-2n 2+23n (n ≤6),2n 2-23n +132 (n ≥7).思维升华 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;②利用性质求出其正负转折项,便可求得和的最值;③将等差数列的前 n 项和S n =An 2+Bn (A 、B 为常数)看做二次函数,根据二次函数的性质求最值.(1)设等差数列{a n }的前n 项和为S n .若a 1=-11,a 4+a 6=-6,则当S n 取最小值时,n 等于( )A .6B .7C .8D .9(2)等差数列{a n }前9项的和等于前4项的和.若a k +a 4=0,则k =________. 答案 (1)A (2)10解析 (1)设该数列的公差为d ,则a 4+a 6=2a 1+8d =2×(-11)+8d =-6,解得d =2, 所以S n =-11n +n (n -1)2×2=n 2-12n =(n -6)2-36,所以当S n 取最小值时,n =6. (2)设等差数列{a n }的前n 项和为S n , 则S 9-S 4=0,即a 5+a 6+a 7+a 8+a 9=0,5a 7=0,故a 7=0. 而a k +a 4=0,故k =10.等差数列的最值问题典例:(15分)(1)等差数列{a n }的前n 项和为S n ,已知a 5+a 7=4,a 6+a 8=-2,则当S n 取最大值时,n 的值是( )A .5B .6C .7D .8(2)已知等差数列{a n }的首项a 1=20,公差d =-2,则前n 项和S n 的最大值为________. (3)设数列{a n }是公差d <0的等差数列,S n 为前n 项和,若S 6=5a 1+10d ,则S n 取最大值时,n 的值为( )A .5B .6C .5或6D .11思维启迪 (1)由已知分析等差数列项的变化规律、符号.(2)等差数列前n 项的和S n 是关于n 的二次函数,可将S n 的最大值转化为求二次函数的最值问题.(3)根据条件确定数列最后的非负项.解析 (1)依题意得2a 6=4,2a 7=-2,a 6=2>0,a 7=-1<0;又数列{a n }是等差数列,因此在该数列中,前6项均为正数,自第7项起以后各项均为负数,于是当S n 取最大值时,n =6,选B.(2)因为等差数列{a n }的首项a 1=20,公差d =-2,代入求和公式得,S n =na 1+n (n -1)2d =20n -n (n -1)2×2=-n 2+21n =-(n -212)2+(212)2,又因为n ∈N +,所以n =10或n =11时,S n 取得最大值,最大值为110.(3)由题意得S 6=6a 1+15d =5a 1+10d ,所以a 6=0,故当n =5或6时,S n 最大,选C. 答案 (1)B (2)110 (3)C温馨提醒 (1)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;②利用等差数列的前n 项和S n =An 2+Bn (A 、B 为常数)为二次函数,根据二次函数的性质求最值.(2)注意区别等差数列前n 项和S n 的最值和S n 的符号.方法与技巧1.等差数列的判断方法(1)定义法:a n +1-a n =d (d 是常数)⇔{a n }是等差数列. (2)等差中项法:2a n +1=a n +a n +2 (n ∈N +)⇔{a n }是等差数列. (3)通项公式:a n =pn +q (p ,q 为常数)⇔{a n }是等差数列. (4)前n 项和公式:S n =An 2+Bn (A 、B 为常数)⇔{a n }是等差数列.2.方程思想和化归思想:在解有关等差数列的问题时可以考虑化归为a 1和d 等基本量,通过建立方程(组)获得解.3.在遇到三个数成等差数列问题时,可设三个数为(1)a ,a +d ,a +2d ;(2)a -d ,a ,a +d ;(3)a -d ,a +d ,a +3d 等,可视具体情况而定. 失误与防范1.当公差d ≠0时,等差数列的通项公式是n 的一次函数,当公差d =0时,a n 为常数. 2.公差不为0的等差数列的前n 项和公式是n 的二次函数,且常数项为0.若某数列的前n项和公式是常数项不为0的二次函数,则该数列不是等差数列,它从第二项起成等差数列.A 组 专项基础训练 (时间:40分钟)一、选择题1.(2012·福建)等差数列{a n }中,a 1+a 5=10,a 4=7,则数列{a n }的公差为( )A .1B .2C .3D .4答案 B解析 方法一 设等差数列{a n }的公差为d ,由题意得⎩⎪⎨⎪⎧ 2a 1+4d =10,a 1+3d =7.解得⎩⎪⎨⎪⎧a 1=1,d =2.∴d =2.方法二 ∵在等差数列{a n }中,a 1+a 5=2a 3=10, ∴a 3=5.又a 4=7,∴公差d =7-5=2.2.已知等差数列{a n }满足a 1+a 2+a 3+…+a 101=0,则有( )A .a 1+a 101>0B .a 2+a 100<0C .a 3+a 99=0D .a 51=51答案 C解析 由题意,得a 1+a 2+a 3+…+a 101 =a 1+a 1012×101=0. 所以a 1+a 101=a 2+a 100=a 3+a 99=0.3.已知等差数列{a n }中,a 2=6,a 5=15,若b n =a 2n ,则数列{b n }的前5项和等于( )A .30B .45C .90D .186答案 C解析 因为⎩⎪⎨⎪⎧a 2=a 1+d =6a 5=a 1+4d =15,所以a 1=3,d =3, b n =a 2n =a 1+(2n -1)d =6n , S 5=5(b 1+b 5)2=5(6+6×5)2=90,因此选C 项.4.(2013·辽宁)下面是关于公差d >0的等差数列{a n }的四个命题:p 1:数列{a n }是递增数列;p 2:数列{na n }是递增数列;p 3:数列⎩⎨⎧⎭⎬⎫a n n 是递增数列;p 4:数列{a n +3nd }是递增数列.其中的真命题为 ( )A .p 1,p 2B .p 3,p 4C .p 2,p 3D .p 1,p 4答案 D解析 由于p 1:a n =a 1+(n -1)d ,d >0, ∴a n -a n -1=d >0,命题p 1正确. 对于p 2:na n =na 1+n (n -1)d ,∴na n -(n -1)a n -1=a 1+2(n -1)d 与0的大小和a 1的取值情况有关. 故数列{na n }不一定递增,命题p 2不正确. 对于p 3:a n n =a 1n +n -1n d ,∴a n n -a n -1n -1=-a 1+dn (n -1),当d -a 1>0,即d >a 1时,数列{a nn }递增,但d >a 1不一定成立,则p 3不正确. 对于p 4:设b n =a n +3nd , 则b n +1-b n =a n +1-a n +3d =4d >0. ∴数列{a n +3nd }是递增数列,p 4正确. 综上,正确的命题为p 1,p 4.5.在等差数列{a n }中,a 1>0,a 10·a 11<0,若此数列的前10项和S 10=36,前18项和S 18=12,则数列{|a n |}的前18项和T 18的值是( )A .24B .48C .60D .84答案 C解析 由a 1>0,a 10·a 11<0可知d <0,a 10>0,a 11<0, ∴T 18=a 1+…+a 10-a 11-…-a 18 =S 10-(S 18-S 10)=60,故选C. 二、填空题6.(2013·广东)在等差数列{a n }中,已知a 3+a 8=10,则3a 5+a 7=________.答案 20解析 设公差为d ,则a 3+a 8=2a 1+9d =10, ∴3a 5+a 7=4a 1+18d =2(2a 1+9d )=20.7. S n 为等差数列{a n }的前n 项和,S 2=S 6,a 4=1,则a 5=________.答案 -1解析 由题意知⎩⎪⎨⎪⎧ a 1+a 1+d =6a 1+6×52d ,a 1+3d =1,解得⎩⎪⎨⎪⎧a 1=7,d =-2, ∴a 5=a 4+d =1+(-2)=-1. 8.已知数列{a n }中,a 1=1且1a n +1=1a n +13(n ∈N +),则a 10=________. 答案 14 解析 由已知1a 10=1a 1+(10-1)×13=1+3=4, ∴a 10=14. 三、解答题9.已知等差数列{a n }中,a 2=8,前10项和S 10=185.求数列{a n }的通项公式a n .解 设数列{a n }的公差为d ,因为a 2=8,S 10=185,所以⎩⎪⎨⎪⎧ a 1+d =810a 1+10×92d =185,解得⎩⎪⎨⎪⎧a 1=5d =3, 所以a n =5+(n -1)×3=3n +2,即a n =3n +2.10.设等差数列{a n }的前n 项和为S n ,若a 1<0,S 2 015=0.(1)求S n 的最小值及此时n 的值;(2)求n 的取值集合,使a n ≥S n .解 (1)设公差为d ,则由S 2 015=0⇒2 015a 1+2 015×2 0142d =0⇒a 1+1 007d =0, d =-11 007a 1,a 1+a n =2 015-n 1 007a 1, ∴S n =n 2(a 1+a n )=n 2·2 015-n 1 007a 1=a 12 014(2 015n -n 2). ∵a 1<0,n ∈N +,∴当n =1 007或1 008时,S n 取最小值504a 1.(2)a n =1 008-n 1 007a 1,S n ≤a n ⇔a 12 014(2 015n -n 2)≤1 008-n 1 007a 1. ∵a 1<0,∴n 2-2 017n +2 016≤0,即(n -1)(n -2 016)≤0,解得1≤n ≤2 016.故所求n 的取值集合为{n |1≤n ≤2 016,n ∈N +}.B 组 专项能力提升(时间:30分钟)1.已知数列{a n }为等差数列,若a 11a 10<-1,且它们的前n 项和S n 有最大值,则使S n >0的n 的最大值为( ) A .11B .19C .20D .21答案 B解析 ∵a 11a 10<-1,且S n 有最大值, ∴a 10>0,a 11<0,且a 10+a 11<0,∴S 19=19(a 1+a 19)2=19·a 10>0, S 20=20(a 1+a 20)2=10(a 10+a 11)<0, 故使得S n >0的n 的最大值为19.2.设等差数列{a n },{b n }的前n 项和分别为S n ,T n ,若对任意自然数n 都有S n T n =2n -34n -3,则a 9b 5+b 7+a 3b 8+b 4的值为________. 答案1941 解析 ∵{a n },{b n }为等差数列,∴a 9b 5+b 7+a 3b 8+b 4=a 92b 6+a 32b 6=a 9+a 32b 6=a 6b 6. ∵S 11T 11=a 1+a 11b 1+b 11=2a 62b 6=2×11-34×11-3=1941, ∴a 6b 6=1941. 3.《九章算术》“竹九节”问题:现有一根9节的竹子,自上而下各节的容积成等差数列,上面4节的容积共3升,下面3节的容积共4升,则第5节的容积为________升. 答案 6766解析 设所构成数列{a n }的首项为a 1,公差为d ,依题意⎩⎪⎨⎪⎧ a 1+a 2+a 3+a 4=3,a 7+a 8+a 9=4,即⎩⎪⎨⎪⎧4a 1+6d =3,3a 1+21d =4, 解得⎩⎨⎧ a 1=1322,d =766,∴a 5=a 1+4d =1322+4×766=6766. 4.已知等差数列的前三项依次为a,4,3a ,前n 项和为S n ,且S k =110.(1)求a 及k 的值;(2)设数列{b n }的通项b n =S n n,证明数列{b n }是等差数列,并求其前n 项和T n . 解 (1)设该等差数列为{a n },则a 1=a ,a 2=4,a 3=3a , 由已知有a +3a =8,得a 1=a =2,公差d =4-2=2,所以S k =ka 1+k (k -1)2·d =2k +k (k -1)2×2=k 2+k . 由S k =110,得k 2+k -110=0,解得k =10或k =-11(舍去),故a =2,k =10.(2)由(1)得S n =n (2+2n )2=n (n +1),则b n =S n n=n +1, 故b n +1-b n =(n +2)-(n +1)=1,即数列{b n }是首项为2,公差为1的等差数列,所以T n =n (2+n +1)2=n (n +3)2. 5.(2012·湖北)已知等差数列{a n }前三项的和为-3,前三项的积为8.(1)求等差数列{a n }的通项公式;(2)若a 2,a 3,a 1成等比数列,求数列{|a n |}的前n 项和. 解 (1)设等差数列{a n }的公差为d ,则a 2=a 1+d ,a 3=a 1+2d .由题意得⎩⎪⎨⎪⎧ 3a 1+3d =-3,a 1(a 1+d )(a 1+2d )=8, 解得⎩⎪⎨⎪⎧ a 1=2,d =-3,或⎩⎪⎨⎪⎧a 1=-4,d =3. 所以由等差数列通项公式可得a n =2-3(n -1)=-3n +5或a n =-4+3(n -1)=3n -7. 故a n =-3n +5或a n =3n -7.(2)当a n =-3n +5时,a 2,a 3,a 1分别为-1,-4,2,不成等比数列; 当a n =3n -7时,a 2,a 3,a 1分别为-1,2,-4,成等比数列,满足条件.故|a n |=|3n -7|=⎩⎪⎨⎪⎧-3n +7,n =1,2,3n -7,n ≥3. 记数列{|a n |}的前n 项和为S n .当n =1时,S 1=|a 1|=4;当n =2时,S 2=|a 1|+|a 2|=5; 当n ≥3时,S n =S 2+|a 3|+|a 4|+…+|a n | =5+(3×3-7)+(3×4-7)+…+(3n -7)=5+(n -2)[2+(3n -7)]2=32n 2-112n +10. 当n =2时,满足此式.综上,S n =⎩⎪⎨⎪⎧4,n =1,32n 2-112n +10,n ≥2.。