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(1)定义：一般地，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，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a n ＋1－a n ＝d (n ∈N *)，d 为常数．(2)等差中项：如果在a 与b 中间插入一个数A ，使a ，A ，b 成等差数列，那么A 叫作a 与b 的等差中项，即A ＝a ＋b2.2．等差数列的有关公式 (1)通项公式：a n ＝a 1＋(n －1)d . (2)前n 项和公式：S n ＝na 1＋n n －12d ＝n a 1＋a n2.3．等差数列的通项公式及前n 项和公式与函数的关系(1)当d ≠0时，等差数列{a n }的通项公式a n ＝dn ＋(a 1－d )是关于d 的一次函数．(2)当d ≠0时，等差数列{a n }的前n 项和S n ＝d2n 2＋⎝⎛⎭⎪⎫a 1－d 2n 是关于n 的二次函数．4．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．[常用结论]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m ＋n ＝p ＋q ，则a m ＋a n ＝a p ＋a q (m ，n ，p ，q ∈N *)．(3)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．(4)数列S m ，S 2m －S m ，S 3m －S 2m ，…(m ∈N *)也是等差数列，公差为m 2d .(5)若{a n }是等差数列，则⎩⎨⎧⎭⎬⎫S n n 也是等差数列，其首项与{a n }的首项相同，公差是{a n }的公差的12.(6)若等差数列{a n }的项数为偶数2n ，则 ①S 2n ＝n (a 1＋a 2n )＝…＝n (a n ＋a n ＋1)； ②S 偶－S 奇＝nd ，S 奇S 偶＝a na n ＋1.(7)若{a n }，{b n }均为等差数列且其前n 项和为S n ，T n ，则.(8)若等差数列{a n }的项数为奇数2n ＋1，则 ①S 2n ＋1＝(2n ＋1)a n ＋1；②S 奇S 偶＝n ＋1n.一、易错易误辨析(正确的打“√”，错误的打“×”)(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)等差数列{a n }的单调性是由公差d 决定的. ( )(3)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.( )(4)等差数列的前n 项和公式是常数项为0的二次函数．( ) [答案] (1)× (2)√ (3)√ (4)×二、教材习题衍生1．等差数列{a n }中，a 4＋a 8＝10，a 10＝6，则公差d 等于( ) A ．14 B ．12 C ．2 D ．－12A [∵a 4＋a 8＝2a 6＝10，∴a 6＝5， 又a 10＝6，∴公差d ＝a 10－a 610－6＝6－54＝14.故选A.]2．设数列{a n }是等差数列，其前n 项和为S n ，若a 6＝2且S 5＝30，则S 8等于( )A ．31B ．32C ．33D ．34B [设数列{a n }的公差为d ， 法一：由S 5＝5a 3＝30得a 3＝6， 又a 6＝2，∴S 8＝8a 1＋a 82＝8a 3＋a 62＝86＋22＝32.法二：由⎩⎪⎨⎪⎧a 1＋5d ＝2，5a 1＋5×42d＝30，得⎩⎪⎨⎪⎧a 1＝263，d ＝－43.∴S 8＝8a1＋8×72d ＝8×263－28×43＝32.]3．已知等差数列－8，－3,2,7，…，则该数列的第100项为________．487 [依题意得，该数列的首项为－8，公差为5，所以a 100＝－8＋99×5＝487.] 4．某剧场有20排座位，后一排比前一排多2个座位，最后一排有60个座位，则剧场总共的座位数为________．820 [设第n 排的座位数为a n (n ∈N *)，数列{a n }为等差数列，其公差d ＝2，则a n ＝a 1＋(n －1)d ＝a 1＋2(n －1)．由已知a 20＝60，得60＝a 1＋2×(20－1)，解得a 1＝22，则剧场总共的座位数为20a 1＋a 202＝20×22＋602＝820.]考点一 等差数列基本量的运算解决等差数列运算问题的思想方法1．(2019·全国卷Ⅰ)记S n 为等差数列{a n }的前n 项和．已知S 4＝0，a 5＝5，则( )A ．a n ＝2n －5B ．a n ＝3n －10C ．S n＝2n 2－8nD ．S n ＝12n 2－2nA [设首项为a 1，公差为d .由题知，⎩⎪⎨⎪⎧S 4＝4a 1＋d2×4×3＝0，a 5＝a 1＋4d ＝5，解得⎩⎪⎨⎪⎧a 1＝－3，d ＝2，∴a n ＝2n －5，S n ＝n 2－4n ，故选A.]2．(2018·全国卷Ⅰ)记S n 为等差数列{a n }的前n 项和，若3S 3＝S 2＋S 4，a 1＝2，则a 5等于( )A ．－12B ．－10C ．10D ．12 B [设等差数列{a n }的公差为d ，由3S 3＝S 2＋S 4，得3⎣⎢⎡⎦⎥⎤3a 1＋3×3－12×d ＝2a 1＋2×2－12×d ＋4a 1＋4×4－12×d ，将a 1＝2代入上式，解得d ＝－3，故a 5＝a 1＋(5－1)d ＝2＋4×(－3)＝－10.故选B.]3．《算法统宗》是中国古代数学名著，由明代数学家程大位编著，它对我国民间普及珠算和数学知识起到了很大的作用，是东方古代数学的名著．在这部著作中，许多数学问题都是以歌诀形式呈现的，“九儿问甲歌”就是其中一首：一个公公九个儿，若问生年总不知，自长排来差三岁，共年二百又零七，借问长儿多少岁，各儿岁数要详推．在这个问题中，记这位公公的第n 个儿子的年龄为a n ，则a 1＝( )A ．23B ．32C ．35D ．38C [由题意可知年龄构成的数列为等差数列，其公差为－3，则9a 1＋9×82×(－3)＝207，解得a 1＝35，故选C.]点评：涉及等差数列基本量的运算问题其关键是建立首项a 1和公差d 的等量关系． 考点二 等差数列的判定与证明等差数列的判定与证明的方法方法解读适合题型定义法若a n －a n －1(n ≥2，n ∈N *)为同一常数⇔{a n }是等差数列解答题中 证明问题 等差中 项法 2a n ＝a n ＋1＋a n －1(n ≥2，n ∈N *)成立⇔{a n }是等差数列通项公 式法 a n ＝pn ＋q (p ，q 为常数)对任意的正整数n 都成立⇔{a n }是等差数列选择、填空 题中的判定问题前n 项 和公式法验证S n ＝An 2＋Bn (A ，B 是常数)对任意的正整数n 都成立⇔{a n }是等差数列[典例1] 若数列{a n }的前n 项和为S n ，且满足a n ＋2S n S n －1＝0(n ≥2)，a 1＝2.(1)求证：⎩⎨⎧⎭⎬⎫1S n 成等差数列；(2)求数列{a n }的通项公式．[解] (1)证明：当n ≥2时，由a n ＋2S n S n －1＝0， 得S n －S n －1＝－2S n S n －1， 因为S n ≠0，所以1S n －1S n －1＝2，又1S 1＝1a 1＝2，故⎩⎨⎧⎭⎬⎫1S n 是首项为2，公差为2的等差数列． (2)由(1)可得1S n ＝2n ，所以S n ＝12n .当n ≥2时，a n ＝S n －S n －1＝12n－12n －1＝n －1－n 2n n －1＝－12n n －1.当n ＝1时，a 1＝12不适合上式．故a n＝⎩⎪⎨⎪⎧12，n ＝1，－12n n －1，n ≥2.点评：证明⎩⎨⎧⎭⎬⎫1S n 成等差数列的关键是1S n －1S n －1为与n 无关的常数，同时注意求数列{a n }的通项公式时务必检验其通项公式是否包含n ＝1的情形．[跟进训练]已知数列{a n }满足a 1＝1，且na n ＋1－(n ＋1)a n ＝2n 2＋2n . (1)求a 2，a 3；(2)证明数列⎩⎨⎧⎭⎬⎫a n n 是等差数列，并求{a n }的通项公式．[解] (1)由已知，得a 2－2a 1＝4， 则a 2＝2a 1＋4，又a 1＝1，所以a 2＝6. 由2a 3－3a 2＝12，得2a 3＝12＋3a 2，所以a 3＝15. (2)由已知na n ＋1－(n ＋1)a n ＝2n (n ＋1)，得na n ＋1－n ＋1a nn n ＋1＝2，即a n ＋1n ＋1－a nn＝2， 所以数列⎩⎨⎧⎭⎬⎫a n n 是首项a 11＝1，公差d ＝2的等差数列．则a n n＝1＋2(n －1)＝2n －1，所以a n ＝2n 2－n .考点三 等差数列性质的应用利用等差数列的性质解题的两个关注点(1)两项和的转换是最常用的性质，利用2a m ＝a m －n ＋a m ＋n 可实现项的合并与拆分，在S n ＝n a 1＋a n2中，S n 与a 1＋a n 可相互转化．(2)利用S m ，S 2m －S m ，S 3m －S 2m 成等差数列，可求S 2m 或S 3m .等差数列项的性质[典例2－1] (1)已知数列{a n }是等差数列，若a 9＝4，a 5＋a 6＋a 7＝6，则S 14＝( ) A ．84 B ．70 C ．49D ．42(2)已知在等差数列{a n }中，a 5＋a 6＝4，则log 2(2a 1·2a 2·…·2a 10)＝( ) A ．10 B ．20 C ．40D ．2＋log 25(3)设数列{a n }，{b n }都是等差数列，且a 1＝25，b 1＝75，a 2＋b 2＝100，则a 37＋b 37等于( )A ．0B ．37C ．100D ．－37(1)D (2)B (3)C [(1)因为a 5＋a 6＋a 7＝3a 6＝6，所以a 6＝2，又a 9＝4，所以S 14＝14×a 1＋a 142＝7(a 6＋a 9)＝42.故选D.(2)log 2(2a 1·2a 2·…·2a 10)＝log 22a 1＋log 22a 2＋…＋log 22a 10＝a 1＋a 2＋…＋a 10＝5(a 5＋a 6)＝5×4＝20.故选B.(3)设{a n }，{b n }的公差分别为d 1，d 2，则(a n ＋1＋b n ＋1)－(a n ＋b n )＝(a n ＋1－a n )＋(b n ＋1－b n )＝d 1＋d 2，所以{a n ＋b n }为等差数列．又a 1＋b 1＝a 2＋b 2＝100，所以{a n ＋b n }为常数列，所以a 37＋b 37＝100.]点评：一般地a m ＋a n ≠a m ＋n ，等号左右两边必须是两项相加，当然也可以是a m －n ＋a m＋n ＝2a m .等差数列前n 项和的性质[典例2－2] (1)已知等差数列{a n }的前n 项和为S n .若S 5＝7，S 10＝21，则S 15等于( ) A ．35 B ．42 C ．49D ．63(2)已知S n 是等差数列{a n }的前n 项和，若a 1＝－2 018，S 2 0202 020－S 2 0142 014＝6，则S 2 021＝________.(1)B (2)4 042 [(1)由题意知，S 5，S 10－S 5，S 15－S 10成等差数列， 即7,14，S 15－21成等差数列， ∴S 15－21＋7＝28， ∴S 15＝42，故选B.(2)由等差数列的性质可得⎩⎨⎧⎭⎬⎫S n n 也为等差数列，设其公差为d ，则S 2 0202 020－S 2 0142 014＝6d ＝6，∴d ＝1，∴S 2 0212 021＝S 11＋2 020d ＝－2 018＋2 020＝2， ∴S 2 021＝4 042.]点评：本例(2)，也可以根据条件先求出a 1，d ，再求结果，但运算量大，易出错．[跟进训练]1．已知等差数列{a n }的前n 项和为S n ，若m ＞1，且a m －1＋a m ＋1－a 2m －1＝0，S 2m －1＝39，则m 等于( )A ．39B ．20C ．19D ．10B [数列{a n }为等差数列，则a m －1＋a m ＋1＝2a m ，则a m －1＋a m ＋1－a 2m－1＝0可化为2a m －a 2m －1＝0，解得a m ＝1.又S 2m －1＝(2m －1)a m ＝39，则m ＝20.故选B.]2．等差数列{a n }中，a 1＋3a 8＋a 15＝120，则2a 9－a 10的值是( ) A ．20 B ．22 C ．24D ．8C [因为a 1＋3a 8＋a 15＝5a 8＝120，所以a 8＝24，所以2a 9－a 10＝a 10＋a 8－a 10＝a 8＝24.] 3．设等差数列{a n }，{b n }的前n 项和分别为S n ，T n ，若对任意的n ∈N *，都有S n T n ＝2n －34n －3，则a 2b 3＋b 13＋a 14b 5＋b 11的值为( )A.2945B.1329C.919 D.1930C [由题意可知b 3＋b 13＝b 5＋b 11＝b 1＋b 15＝2b 8， ∴a 2b 3＋b 13＋a 14b 5＋b 11＝a 2＋a 142b 8＝a 8b 8＝S 15T 15＝2×15－34×15－3＝2757＝919.故选C.]考点四 等差数列的前n 项和及其最值求等差数列前n 项和S n 最值的两种方法(1)函数法：利用等差数列前n 项和的函数表达式S n ＝an 2＋bn ，通过配方或借助图像求二次函数最值的方法求解．(2)邻项变号法：①当a 1>0，d <0时，满足⎩⎪⎨⎪⎧a m ≥0，a m ＋1≤0的项数m 使得S n 取得最大值为S m ； ②当a 1<0，d >0时，满足⎩⎪⎨⎪⎧ a m ≤0，a m ＋1≥0的项数m 使得S n 取得最小值为S m . [典例3] 等差数列{a n }的前n 项和为S n ，已知a 1＝13，S 3＝S 11，当S n 最大时，n 的值是( )A ．5B ．6C ．7D ．8C [法一：(邻项变号法)由S 3＝S 11，得a 4＋a 5＋…＋a 11＝0，根据等差数列的性质，可得a 7＋a 8＝0.根据首项等于13可推知这个数列为递减数列，从而得到a 7>0，a 8<0，故n ＝7时S n 最大．法二：(函数法)由S 3＝S 11，可得3a 1＋3d ＝11a 1＋55d ，把a 1＝13代入，得d ＝－2，故S n ＝13n －n (n －1)＝－n 2＋14n .根据二次函数的性质，知当n ＝7时S n 最大．法三：(图像法)根据a 1＝13，S 3＝S 11，知这个数列的公差不等于零，且这个数列的和是先递增后递减．根据公差不为零的等差数列的前n 项和是关于n 的二次函数，以及二次函数图像的对称性，可得只有当n ＝3＋112＝7时，S n 取得最大值．] [母题变迁]将本例中“a 1＝13，S 3＝S 11”改为“a 1＝20，S 10＝S 15”，则S n 最大时，n 为何值？[解] 因为a 1＝20，S 10＝S 15，所以10×20＋10×92d ＝15×20＋15×142d ，所以d ＝－53. 法一：由a n ＝20＋(n －1)×⎝ ⎛⎭⎪⎫－53＝－53n ＋653，得a 13＝0. 即当n ≤12时，a n >0，当n ≥14时，a n <0.所以当n ＝12或n ＝13时，S n 取得最大值．法二：S n ＝20n ＋n n －12·⎝ ⎛⎭⎪⎫－53 ＝－56n 2＋1256n ＝－56⎝ ⎛⎭⎪⎫n －2522＋3 12524. 因为n ∈N *，所以当n ＝12或n ＝13时，S n 有最大值．法三：由S 10＝S 15，得a 11＋a 12＋a 13＋a 14＋a 15＝0.所以5a 13＝0，即a 13＝0.所以当n ＝12或n ＝13时，S n 有最大值．点评：本例用了三种不同的方法，其中方法一是从项的角度分析函数最值的变化；方法二、三是借助二次函数的图像及性质给予解答，三种方法各有优点，灵活运用是解答此类问题的关键．[跟进训练]1．设数列{a n }是公差d ＜0的等差数列，S n 为其前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 C [由题意得S 6＝6a 1＋15d ＝5a 1＋10d ，化简得a 1＝－5d ，所以a 6＝0，故当n ＝5或6时，S n 最大．]2．(2019·北京高考)设{a n }是等差数列，a 1＝－10，且a 2＋10，a 3＋8，a 4＋6成等比数列．(1)求{a n }的通项公式；(2)记{a n }的前n 项和为S n ，求S n 的最小值．[解] (1)∵{a n }是等差数列，a 1＝－10，且a 2＋10，a 3＋8，a 4＋6成等比数列． ∴(a 3＋8)2＝(a 2＋10)(a 4＋6)， ∴(－2＋2d )2＝d (－4＋3d )，解得d ＝2， ∴a n ＝a 1＋(n －1)d ＝－10＋2n －2＝2n －12.(2)法一：(函数法)由a 1＝－10，d ＝2， 得S n ＝－10n ＋n n －12×2＝n 2－11n ＝⎝ ⎛⎭⎪⎫n －1122－1214， ∴n ＝5或n ＝6时，S n 取最小值－30. 法二：(邻项变号法)由(1)知，a n ＝2n －12. 所以，当n ≥7时，a n ＞0；当n ≤6时，a n ≤0. 所以S n 的最小值为S 5＝S 6＝－30.。