人教 A 版学生用书不含答案,教师用书与全解不在本站语料里——因此本节习题的解答无官方答案可核,它们是本站写的。每一道都过了独立 verifier 的 refute 优先复核(默认它有问题,找不出问题才放行),但那不等于官方标准答案:拿它对思路,别拿它对分。
这一节的页里住着四批题:第 23 页「练习」3 道(§4.2.1 那一小节的练习,正好跨页排在这里)、
第 27–28 页「练习」5 道、第 29 页「练习」5 道,以及 §4.2 全节末尾的「习题 4.2」12 道。
本份详解做其中 23 道,不收的两道各有理由:
- 习题 4.2 第 4 题(哈雷彗星)——“请你查找资料,列出回归时间表”,是开放式的资料查阅作业,
没有唯一解答;
- 习题 4.2 第 11 题(虎甲虫)——爬行距离的数据在一张表格里,而表格在课本上是图、
不在文字转写里,题面引文引不全,独立复核也就无靶可核。要做那一道,请对着上方第 30 页的扫描图读表。
本站解答没有官方答案可比(人教A版学生用书不含答案),页面上那句声明说的就是这件事;
所以每道题都过了一次独立 verifier 的复核。每道题先逐字引课本的题面(引用块),再写解答。
全程用到的四个式子:an=a1+(n−1)d、an=am+(n−m)d、
Sn=2n(a1+an)、Sn=na1+2n(n−1)d。
练习(第 23 页)第 3 题
- 在等差数列 {an} 中,an=m,am=n,且 n=m,求 am+n.
注意读题:这里的 m、n 是两个下标,题目给的是”第 n 项等于 m、第 m 项等于 n”,
两个下标互相跑到了对方的位置上。
设公差为 d。由 an=am+(n−m)d 得
m=n+(n−m)d.
因为 n=m,即 n−m=0,可以两边同除:
d=n−mm−n=−1.
再从 an=m 走到 am+n,跨了 (m+n)−n=m 个公差:
am+n=an+m⋅d=m+m×(−1)=0.
换个起点核一遍:从 am=n 走到 am+n,跨了 (m+n)−m=n 个公差,
am+n=am+n⋅d=n+n×(−1)=0,
两条路一致。所以
am+n=0.
举例再核一次:取 m=2、n=5,则要求 a5=2、a2=5,公差 d=5−22−5=−1,
数列是 6,5,4,3,2,1,0,…,而 am+n=a7=0 ✓。
这道题的关键动作:用 an=am+(n−m)d 直接求 d,不必先求 a1——
a1 在本题里根本不需要出场。
练习(第 23 页)第 4 题
- 已知数列 {an},{bn} 都是等差数列,公差分别为 d1,d2,数列 {cn} 满足 cn=an+2bn.
(1) 数列 {cn} 是不是等差数列?若是,证明你的结论;若不是,请说明理由.
(2) 若 {an} , {bn} 的公差都等于 2, a1=b1=1 ,求数列 {cn} 的通项公式.
(1) 是等差数列,公差为 d1+2d2。
证明:判定等差数列只需算相邻两项的差。对任意 n∈N∗,
cn+1−cn=(an+1+2bn+1)−(an+2bn)=(an+1−an)+2(bn+1−bn)=d1+2d2.
d1、d2 都是常数,所以 d1+2d2 是与 n 无关的常数。按定义(从第 2 项起,
每一项与它的前一项的差都等于同一个常数),{cn} 是等差数列,公差 d1+2d2。
(d1+2d2 可以为 0,那时 {cn} 是常数列——常数列也是等差数列,公差 0,结论不受影响。)
(2) 由 d1=d2=2、a1=b1=1 得
an=1+2(n−1)=2n−1,bn=1+2(n−1)=2n−1.
于是
cn=an+2bn=(2n−1)+2(2n−1)=3(2n−1)=6n−3.
核一遍:c1=a1+2b1=1+2=3,而 6×1−3=3 ✓;
由 (1) 知公差应为 d1+2d2=2+4=6,而 cn=6n−3 的公差正是 6 ✓。
练习(第 23 页)第 5 题
- 已知一个无穷等差数列 {an} 的首项为 a1,公差为 d.
(1)将数列中的前 m 项去掉,其余各项组成一个新的数列,这个新数列是等差数列吗?如果是,它的首项和公差分别是多少?
(2) 依次取出数列中的所有奇数项,组成一个新的数列,这个新数列是等差数列吗?如果是,它的首项和公差分别是多少?
(3)依次取出数列中所有序号为7的倍数的项,组成一个新的数列,它是等差数列吗?你能根据得到的结论作出一个猜想吗?
三小问的动作相同:把新数列的第 k 项用原数列的项表示出来,再算相邻两项的差。
(1) 去掉前 m 项后,新数列的第 k 项是 bk=am+k(k∈N∗)。
bk+1−bk=am+k+1−am+k=d,
是常数,所以新数列是等差数列,公差仍为 d;首项
b1=am+1=a1+md.
(2) 所有奇数项依次是 a1,a3,a5,…,即新数列的第 k 项 ck=a2k−1。
ck+1−ck=a2k+1−a2k−1=[(2k+1)−(2k−1)]d=2d,
是常数,所以是等差数列,公差 2d;首项 c1=a1。
(3) 序号为 7 的倍数的项依次是 a7,a14,a21,…,即 ek=a7k。
ek+1−ek=a7(k+1)−a7k=[7(k+1)−7k]d=7d,
是常数,所以是等差数列,公差 7d;首项 e1=a7=a1+6d。
猜想:在等差数列 {an} 中,按等间隔取出的项仍构成等差数列。
准确地说,取定 p∈N∗ 与 t∈N∗,令 fk=ap+(k−1)t(下标本身成公差为 t 的等差数列),则
fk+1−fk=[(p+kt)−(p+(k−1)t)]d=td,
所以 {fk} 是公差为 td 的等差数列,首项 ap。
(1) 是 p=m+1, t=1;(2) 是 p=1, t=2;(3) 是 p=7, t=7。
一句话记法:下标每跨 t 步,值就跨 t 个公差。
练习(第 27 页)第 1 题
- 根据下列各题中的条件,求相应等差数列 {an} 的前 n 项和 Sn.
(1) a1=5,an=95,n=10; (2) a1=100,d=−2,n=50;
(3) a1=−4,a8=−18,n=10; (4) a1=14.5,d=0.7,an=32.
选公式的规则:给了首项与末项就用 Sn=2n(a1+an),给了首项与公差就用
Sn=na1+2n(n−1)d。
(1) 首项、末项、项数都给了,直接用公式 (1):
S10=210×(5+95)=210×100=500.
(2) 给的是首项与公差,用公式 (2):
S50=50×100+250×49×(−2)=5000−2450=2550.
(3) 先由两项求公差。从 a1 到 a8 跨了 7 个公差:
d=8−1a8−a1=7−18−(−4)=7−14=−2.
再求 a10=a1+9d=−4+9×(−2)=−22,然后用公式 (1):
S10=210×(−4−22)=210×(−26)=−130.
(用公式 (2) 核一遍:10×(−4)+210×9×(−2)=−40−90=−130 ✓。)
(4) 项数没给,先由通项公式求 n:
32=14.5+(n−1)×0.7⟹0.7(n−1)=17.5⟹n−1=25⟹n=26,
n=26 是正整数,合法。再用公式 (1):
S26=226×(14.5+32)=13×46.5=604.5.
核一遍:用公式 (2),26×14.5+226×25×0.7=377+325×0.7=377+227.5=604.5 ✓。
练习(第 27 页)第 2 题
- 等差数列-1,-3,-5,…的前多少项的和是-100?
首项 a1=−1,公差 d=−3−(−1)=−2。用公式 (2):
Sn=n×(−1)+2n(n−1)×(−2)=−n−n(n−1)=−n2.
令 Sn=−100:
−n2=−100⟹n2=100⟹n=10或n=−10.
项数必须是正整数,所以 n=−10 舍去,得
n=10.
即这个数列的前 10 项之和是 −100。
核一遍:a10=−1+9×(−2)=−19,S10=210×(−1−19)=210×(−20)=−100 ✓。
顺带记一条:这个数列的 Sn=−n2 是关于 n 的二次式且常数项为零,与”Sn=pn2+qn 者必为等差数列”相符。
练习(第 28 页)第 3 题
- 在等差数列 {an} 中,Sn 为其前 n 项的和,若 S4=6,S8=20,求 S16.
解法一(基本量法,最可靠)。 设首项 a1、公差 d,用公式 (2):
⎩⎨⎧S4=4a1+24×3d=4a1+6d=6,S8=8a1+28×7d=8a1+28d=20.
第一式两边除以 2 得 2a1+3d=3;第二式两边除以 4 得 2a1+7d=5。两式相减:
4d=2⟹d=21,
回代 2a1=3−3×21=23,即 a1=43。于是
S16=16a1+216×15d=16×43+120×21=12+60=72.
解法二(块状性质)。 把数列每 4 项一段,各段的和依次是
S4, S8−S4, S12−S8, S16−S12。因为第二段每一项都比第一段对应项大 4d、
一段有 4 项,所以相邻段和之差恒为 4×4d=16d,这四个数成等差数列。
已知 S4=6、S8−S4=20−6=14,故这个新等差数列的公差是 14−6=8,于是
S12−S8=14+8=22,S16−S12=22+8=30,
S16=6+14+22+30=72.
两条路都给出 S16=72。
回代核一遍:a1=43, d=21 时 S4=3+3=6 ✓,S8=6+14=20 ✓,
新等差数列的公差 16d=8 与上面算出的 8 一致 ✓。
练习(第 28 页)第 4 题
- 在等差数列 {an} 中,若 S15=5(a2+a6+ak) ,求 k
设首项 a1、公差 d。
左边先化简。 由公式 (1) 与下标和性质(1+15=2×8):
S15=215(a1+a15)=215×2a8=15a8.
右边写成基本量。
a2+a6+ak=(a1+d)+(a1+5d)+[a1+(k−1)d]=3a1+(k+5)d.
而 15a8=15(a1+7d),故原式 S15=5(a2+a6+ak) 成为
15a1+105d=5[3a1+(k+5)d]=15a1+5(k+5)d,
两边消去 15a1、再除以 5:
21d=(k+5)d.
这一步要分类:
- 若 d=0,两边同除 d 得 k+5=21,即 k=16;
- 若 d=0,等式对任意 k∈N∗ 都成立,k 不唯一。
题目要求”求 k“,即要一个确定的答案,所以取公差不为零的情形:
k=16.
核一遍(取 a1=0, d=1,即 an=n−1):S15=215×(0+14)=105;
a2+a6+a16=1+5+15=21,而 5×21=105 ✓。
这道题的关键动作:先把 S15 化成 15a8(奇数项数的和等于中间项乘项数),
再两边都写成 a1 与 d 的式子——比直接展开 S15 干净。
练习(第 28 页)第 5 题
- 已知一个等差数列的项数为奇数,其中所有奇数项的和为 290,所有偶数项的和为 261。求此数列中间一项的值以及项数。
设项数为 2n+1(n∈N∗),数列为 a1,a2,…,a2n+1,公差为 d。
先数清两边各有几项。 序号为奇数的项是 a1,a3,…,a2n+1,共 n+1 项;
序号为偶数的项是 a2,a4,…,a2n,共 n 项。
再各自求和。 奇数项本身构成公差为 2d 的等差数列,其首末两项是 a1 与 a2n+1,
由 1+(2n+1)=2(n+1) 得 a1+a2n+1=2an+1,所以
S奇=2(n+1)(a1+a2n+1)=(n+1)an+1=290.(i)
偶数项构成公差为 2d 的等差数列,首末两项是 a2 与 a2n,由 2+2n=2(n+1) 得
a2+a2n=2an+1,所以
S偶=2n(a2+a2n)=nan+1=261.(ii)
两式相除(an+1=0,否则 (ii) 给出 261=0,矛盾;n⩾1 故 n=0):
nn+1=261290⟹261(n+1)=290n⟹261=29n⟹n=9.
于是项数
2n+1=19,
中间一项(第 n+1=10 项)由 (ii) 得
a10=an+1=n261=9261=29.
核一遍:(n+1)an+1=10×29=290 ✓,与 (i) 相符。
另有一条更短的核法:S奇−S偶=290−261=29,而由 (i)(ii)
这个差恰等于 an+1,正是中间项 29 ✓。
所以这个数列有 19 项,中间一项是 29。
练习(第 29 页)第 1 题
- 某市一家商场的新年最高促销奖设立了两种领奖方式:第一种,获奖者可以选择2000元的奖金;第二种,从12月20日到第二年的1月1日,每天到该商场领取奖品,第1天领取的奖品价值为100元,第2天为110元,以后逐天增加10元。你认为哪种领奖方式获奖者受益更多?
第一步:数清第二种方式一共领几天。 12 月有 31 天,从 12 月 20 日到 12 月 31 日共
31−20+1=12 天,再加上第二年的 1 月 1 日,一共
12+1=13 (天).
(两端都算在内,这是本题最容易数错的一步。)
第二步:把奖品价值写成等差数列。 第 1 天 100 元,以后每天多 10 元,
所以各天价值 an 构成首项 a1=100、公差 d=10 的等差数列。
第三步:求 13 天的总价值。
S13=13×100+213×12×10=1300+78×10=1300+780=2080 (元).
第四步:比较。
2080>2000,
所以第二种领奖方式获奖者受益更多,比第一种多 2080−2000=80 元。
核一遍:第 13 天的价值 a13=100+12×10=220 元,用公式 (1) 重算
S13=213×(100+220)=213×320=2080 ✓,两条路一致。
练习(第 29 页)第 2 题
- 已知数列 {an} 的前 n 项和 Sn=41n2+32n+3. 求这个数列的通项公式.
由 Sn 求 an 必须分家:a1=S1,而 an=Sn−Sn−1 只对 n⩾2 成立
(S0 没有定义)。
n=1:
a1=S1=41+32+3=123+128+1236=1247.
n⩾2:
an=Sn−Sn−1=[41n2+32n+3]−[41(n−1)2+32(n−1)+3]=41[n2−(n−1)2]+32[n−(n−1)]=41(2n−1)+32=2n−41+32=2n+125.
回头核 n=1:把 n=1 代进上式得 21+125=1211,
而 a1=1247,对不上。所以通项公式是分段的:
an=⎩⎨⎧1247,2n+125,n=1,n⩾2.
为什么必然对不上:等差数列的前 n 项和形如 pn2+qn,常数项为零;
这里的 Sn 有常数项 3=0,所以 {an} 从第 2 项起才是等差数列(公差 21),
第 1 项被那个 3 顶出去了。
核一遍:a1+a2=1247+(1+125)=1247+1217=1264=316,
而 S2=41×4+32×2+3=1+34+3=316 ✓。
练习(第 29 页)第 3 题
- 已知等差数列 -4.2, -3.7, -3.2, … 的前 n 项和为 Sn , Sn 是否存在最大(小)值?如果存在,求出取得最值时 n 的值.
首项 a1=−4.2,公差 d=−3.7−(−4.2)=0.5>0。
先定性:d>0,所以 Sn=2dn2+(a1−2d)n 是开口向上的二次式,
Sn 有最小值、没有最大值(n 增大时 Sn→+∞)。
再定位最小值。 通项
an=−4.2+0.5(n−1)=0.5n−4.7.
解 an⩽0:
0.5n−4.7⩽0⟹n⩽9.4,
因为 n∈N∗,所以 a1,…,a9 都 ⩽0(其中 a9=4.5−4.7=−0.2<0),
而 a10=5−4.7=0.3>0,此后各项恒正。
于是 S1>S2>⋯>S9(一直在加负数),而 S10>S9(开始加正数),
所以 Sn 在 n=9 处取得最小值:
S9=29(a1+a9)=29×(−4.2−0.2)=29×(−4.4)=−19.8.
结论:Sn 存在最小值 −19.8,在 n=9 时取得;不存在最大值。
用配方核一遍:Sn=20.5n2+(−4.2−0.25)n=0.25n2−4.45n,
对称轴 n=0.54.45=8.9,离它最近的正整数是 9,与上面一致;
S9=0.25×81−4.45×9=20.25−40.05=−19.8 ✓。
(注意 a9=0,所以最小值只在 n=9 一处取到,不存在两个 n 并列的情形。)
练习(第 29 页)第 4 题
- 求集合 M={m∣m=2n−1,n∈N∗},且 m<60 中元素的个数,并求这些元素的和.
M 是全体正奇数之集,题目要的是其中小于 60 的那些元素。
先数个数。 由 m=2n−1<60 得
2n<61⟹n<30.5,
而 n∈N∗,所以 n=1,2,…,30,共 30 个元素,依次是
1, 3, 5, …, 59
(末项 2×30−1=59<60 ✓;下一个 2×31−1=61⩾60,确实取不到)。
再求和。 这 30 个数构成首项 1、公差 2 的等差数列,用公式 (1):
S30=230×(1+59)=230×60=900.
核一遍:用公式 (2),30×1+230×29×2=30+870=900 ✓。
另外前 n 个正奇数之和恒为 n2,这里 302=900,第三条路也一致。
练习(第 29 页)第 5 题
*5. 已知数列 {an} 的通项公式为 an=2n−15n−2,前 n 项和为 Sn。求 Sn 取得最小值时 n 的值。
这不是等差数列,所以不能套求和公式。但求 Sn 最值的原理不变:
Sn 在”还在加负数”时递减、“开始加正数”后递增,所以只需判断每一项的正负。
先看分母:2n−15=0 当且仅当 n=7.5,而 n 是正整数,所以分母恒不为零,an 处处有定义。
逐段判号。 分子 n−2,分母 2n−15:
- n=1:a1=−13−1=131>0;
- n=2:a2=−110=0;
- 3⩽n⩽7:分子 n−2>0,分母 2n−15<0(因 n⩽7<7.5),故 an<0;
- n⩾8:分子 n−2>0,分母 2n−15>0(因 n⩾8>7.5),故 an>0。
于是 Sn 的走势是:
S1=131,S2=S1 (因 a2=0),S2>S3>S4>⋯>S7,
而从 n=8 起每一项都为正,所以 S7<S8<S9<…。
因此 Sn 在 n=7 处取得最小值:
n=7.
核一遍:a7=14−157−2=−15=−5<0,a8=16−156=6>0,
负正分界确实在第 7 项与第 8 项之间;a2=0 只让 S1=S2,不影响最小值的位置。
这道题的关键动作:求和的最值不必先求出 Sn 的表达式——
只要知道每一项的正负,最值的位置就定了。
习题 4.2 第 1 题
- 根据下列等差数列 {an} 中的已知量,求相应的未知量:
(1) a1=20,an=54,Sn=999, 求 d 及 n; (2) d=31,n=37,Sn=629, 求 a1 及 an;
(3) a1=65,d=−61,Sn=−5,求 n 及 an;(4) d=2,n=15,an=−10,求 a1 及 Sn.
这一题是”五个量 a1,d,n,an,Sn 知三求二”的标准演练。先挑那条只含已知量的式子解出第一个未知量。
(1) 已知 a1、an、Sn,公式 (1) 里只剩 n 未知:
999=2n(20+54)=37n⟹n=27.
n=27 是正整数,合法。再由通项公式求 d:
54=20+(27−1)d⟹26d=34⟹d=2634=1317.
核:S27=227×74=999 ✓。
(2) 已知 d、n、Sn,公式 (2) 里只剩 a1 未知:
629=37a1+237×36×31=37a1+666×31=37a1+222,
37a1=407⟹a1=11.
再求末项:
a37=11+36×31=11+12=23.
核:S37=237×(11+23)=237×34=629 ✓。
(3) 已知 a1、d、Sn,公式 (2) 里只剩 n 未知:
−5=n×65+2n(n−1)×(−61)=65n−12n(n−1).
两边乘 12:
−60=10n−n(n−1)=10n−n2+n=11n−n2,
即
n2−11n−60=0⟹(n−15)(n+4)=0⟹n=15 或 n=−4.
项数是正整数,n=−4 舍去,得 n=15。再求
a15=65+14×(−61)=65−614=−69=−23.
核:S15=215×(65−23)=215×(−32)=−5 ✓。
(4) 已知 d、n、an,通项公式里只剩 a1 未知:
−10=a1+(15−1)×2=a1+28⟹a1=−38.
再用公式 (1):
S15=215×(−38−10)=215×(−48)=−360.
核:用公式 (2),15×(−38)+215×14×2=−570+210=−360 ✓。
习题 4.2 第 2 题
- 已知 {an} 为等差数列,a1+a3+a5=105,a2+a4+a6=99。求 a20。
两个条件各自先压成一项。 由下标和性质 1+5=2×3 得 a1+a5=2a3,所以
a1+a3+a5=3a3=105⟹a3=35.
同理 2+6=2×4 得 a2+a6=2a4,所以
a2+a4+a6=3a4=99⟹a4=33.
求公差:
d=a4−a3=33−35=−2.
从 a3 走到 a20,跨 17 个公差:
a20=a3+17d=35+17×(−2)=35−34=1.
核一遍:a1=a3−2d=35+4=39,则 a1+a3+a5=39+35+31=105 ✓,
a2+a4+a6=37+33+29=99 ✓,a20=39+19×(−2)=39−38=1 ✓。
这道题的关键动作:三项等差之和等于中间项的 3 倍——这是等差中项的直接推论,
比设 a1、d 解二元方程组快一大截。
习题 4.2 第 3 题
3.(1)求从小到大排列的前 n 个正偶数的和.
(2) 求从小到大排列的前 n 个正奇数的和.
(3) 在三位正整数的集合中有多少个数是 5 的倍数?求这些数的和.
(4)在小于100的正整数中,有多少个数被7除余2?这些数的和是多少?
四小问都是”先认出等差数列,再数项数,最后套公式”。
(1) 前 n 个正偶数是 2,4,6,…,2n,首项 2、公差 2、末项 2n,共 n 项:
S=2n(2+2n)=n(n+1).
核:n=3 时 2+4+6=12,而 3×4=12 ✓。
(2) 前 n 个正奇数是 1,3,5,…,2n−1,首项 1、公差 2、末项 2n−1,共 n 项:
S=2n[1+(2n−1)]=2n×2n=n2.
核:n=4 时 1+3+5+7=16=42 ✓。
(3) 三位正整数是 100 到 999。其中最小的 5 的倍数是 100,最大的是 995
(1000 已是四位数),它们构成首项 100、公差 5、末项 995 的等差数列。项数:
995=100+(k−1)×5⟹5(k−1)=895⟹k−1=179⟹k=180.
所以有 180 个。它们的和
S180=2180×(100+995)=90×1095=98550.
(4) 被 7 除余 2 的正整数形如 7t+2(t=0,1,2,…),即 2, 9, 16, …,
首项 2、公差 7。要求小于 100:
7t+2<100⟹7t<98⟹t<14,
所以 t=0,1,…,13,共 14 个,末项 7×13+2=93。
(下一个是 100,但 100 不小于 100,且 100=7×14+2 确实被 7 除余 2——所以这里的
“小于 100“是严格不等号,100 必须排除。)它们的和
S14=214×(2+93)=7×95=665.
核:用公式 (2),14×2+214×13×7=28+91×7=28+637=665 ✓。
习题 4.2 第 5 题
- 已知一个多边形的周长等于 158 cm, 所有各边的长成等差数列, 最大的边长为 44 cm, 公差为 3 cm. 求这个多边形的边数.
设边数为 n(n⩾3 且 n∈N∗)。把各边长从大到小排成数列:
首项 44、公差 −3(题目说的”公差为 3“指相邻两边相差 3 cm;
从大到小排时每一步减 3)。周长就是各边长之和:
Sn=44n+2n(n−1)×(−3)=158.
两边乘 2:
88n−3n(n−1)=316⟹88n−3n2+3n=316⟹3n2−91n+316=0.
判别式
Δ=912−4×3×316=8281−3792=4489=672>0,
两根
n=691±67,即n=4或n=6158=379.
379 不是整数,舍去;n=4 满足 n⩾3。
验一遍它是不是真的可行:n=4 时四条边依次是 44, 41, 38, 35(都为正),
周长 44+41+38+35=158 ✓,且最大边 44<41+38+35=114,满足”任一边小于其余各边之和”这条
多边形必须满足的条件。
所以这个多边形有 4 条边。
习题 4.2 第 6 题
- 数列 {an},{bn} 都是等差数列,且 a1=5,b1=15,a100+b100=100。求数列 {an+bn} 的前100项的和。
令 cn=an+bn。设 {an}、{bn} 的公差分别为 d1、d2,则
cn+1−cn=(an+1−an)+(bn+1−bn)=d1+d2,
是常数,所以 {cn} 也是等差数列(这一步不能省——下面要用等差数列的求和公式)。
已知
c1=a1+b1=5+15=20,c100=a100+b100=100.
用公式 (1):
S100=2100(c1+c100)=2100×(20+100)=50×120=6000.
核一遍:{cn} 的公差 d1+d2=99c100−c1=9980,
用公式 (2) 重算 S100=100×20+2100×99×9980=2000+50×80=2000+4000=6000 ✓。
注意题目只给了 c1 与 c100,d1、d2 各自是多少并不需要知道——
公式 (1) 只要首末两项。
习题 4.2 第 7 题
- 已知 Sn 是等差数列 {an} 的前 n 项和.
(1) 证明 {nSn} 是等差数列;
(2) 设 Tn 为数列 {nSn} 的前 n 项和,若 S4=12,S8=40 ,求 Tn .
(1) 证明。 设 {an} 的首项为 a1、公差为 d。由求和公式 (2),
Sn=na1+2n(n−1)d,
两边除以 n(n∈N∗,故 n=0,除得动):
nSn=a1+2n−1d.
记 bn=nSn,则对任意 n∈N∗,
bn+1−bn=[a1+2nd]−[a1+2n−1d]=2d,
是与 n 无关的常数。按定义,{nSn} 是等差数列,
首项 b1=a1、公差 2d。(这也正是”前 n 项的平均数”那条性质:
nSn=2a1+an。)
(2) 先由两个条件定出 a1 与 d:
{S4=4a1+6d=12,S8=8a1+28d=40,即{2a1+3d=6,2a1+7d=10.
相减得 4d=4,即 d=1;回代 2a1=6−3=3,即 a1=23。
于是由 (1),
bn=nSn=a1+2n−1d=23+2n−1=2n+2.
{bn} 是首项 b1=23、公差 21 的等差数列,末项 bn=2n+2,
用公式 (1) 求它的前 n 项和:
Tn=2n(b1+bn)=2n(23+2n+2)=2n⋅2n+5=4n(n+5).
核一遍:b1=23, b2=2, b3=25, b4=3,
T4=23+2+25+3=9;而公式给 44×9=9 ✓。
再核 S4:b4=4S4=3⇒S4=12 ✓;b8=28+2=5⇒S8=40 ✓。
习题 4.2 第 8 题
- 已知两个等差数列 2, 6, 10, …, 190 及 2, 8, 14, …, 200, 将这两个等差数列的公共项按从小到大的顺序组成一个新数列. 求这个新数列的各项之和.
先把两个数列写清楚。
- 第一个:首项 2、公差 4,通项 4k−2,末项 190(由 4k−2=190 得 k=48,共 48 项)。
它的项都是”被 4 除余 2“的数;
- 第二个:首项 2、公差 6,通项 6j−4,末项 200(由 6j−4=200 得 j=34,共 34 项)。
它的项都是”被 6 除余 2“的数。
公共项的形状。 一个数同时”被 4 除余 2“且”被 6 除余 2“,等价于它减去 2 后
既是 4 的倍数又是 6 的倍数,即是 lcm(4,6)=12 的倍数。所以公共项形如
12s+2(s=0,1,2,…),
即 2, 14, 26, …——它们本身构成一个首项 2、公差 12 的等差数列。
再卡住上界。 公共项必须同时落在两个数列里,所以不能超过两个末项中较小的那个:
12s+2⩽190⟹12s⩽188⟹s⩽15.67,
故 s=0,1,…,15,共 16 项,末项 12×15+2=182。
(182⩽190 且 182⩽200,两边都在;下一个 194>190,越界。)
验一下 182 确实在两个数列里:182=4×46−2 ✓,182=6×31−4 ✓。
求和(首项 2、末项 182、共 16 项):
S16=216×(2+182)=8×184=1472.
核一遍:用公式 (2),16×2+216×15×12=32+120×12=32+1440=1472 ✓。
习题 4.2 第 9 题
- 一支车队有 15 辆车,某天下午依次出发执行运输任务。第一辆车于 14 时出发,以后每间隔 10 min 发出一辆车。假设所有的司机都连续开车,并都在 18 时停下来休息。
(1) 截止到 18 时,最后一辆车行驶了多长时间?
(2) 如果每辆车行驶的速度都是 60km/h ,这个车队当天一共行驶了多少千米?
先把出发时刻写成数列。 第 1 辆 14:00 出发,以后每辆晚 10 min,
所以第 k 辆的出发时刻比 14:00 晚 10(k−1) 分钟。从 14:00 到 18:00 共
4×60=240 min,故第 k 辆车的行驶时间(单位:min)是
tk=240−10(k−1)=250−10k(k=1,2,…,15).
这是首项 t1=240、公差 −10 的等差数列。
(1) 最后一辆是第 15 辆:
t15=250−10×15=100 (min),
即 1 小时 40 分钟。
(核一遍:第 15 辆的出发时刻是 14:00 后 10×14=140 min,即 16:20;
从 16:20 到 18:00 正是 100 min ✓。且 t15=100>0,
说明 15 辆车在 18 时之前都已出发,全部有行驶时间。)
(2) 15 辆车的行驶时间总和
∑k=115tk=215(t1+t15)=215×(240+100)=215×340=2550 (min).
化成小时:2550 min=602550=42.5 h。速度 60 km/h,所以总路程
60×42.5=2550 (km).
核一遍:60 km/h 恰好是 1 km/min,所以”总分钟数”与”总千米数”数值相同——
2550 min→2550 km,两者一致(这个巧合正好当验算用)。
习题 4.2 第 10 题
- 已知等差数列 {an} 的公差为 d,求证 m−nam−an=d。你能从直线的斜率角度来解释这个结果吗?
求证。 这里 m, n∈N∗ 且 m=n(否则分母为零,式子无意义)。
由通项公式,
am=a1+(m−1)d,an=a1+(n−1)d,
两式相减,a1 抵消:
am−an=[(m−1)−(n−1)]d=(m−n)d.
因为 m=n,即 m−n=0,两边同除以 m−n:
m−nam−an=d.
证毕。
从斜率的角度解释。 把数列的每一项画成平面上的点 (n, an)。
取两点 A(n, an) 与 B(m, am)(m=n,故两点横坐标不同,直线 AB 有斜率),
则直线 AB 的斜率
kAB=m−nam−an=d.
也就是说:等差数列图象上任意两点连线的斜率都等于公差 d。
斜率处处相同意味着这些点共线——这正是上一小节那句话的严格版本:
等差数列的通项 an=dn+(a1−d) 是 n 的一次式,点 (n,an) 全落在斜率为 d 的直线
y=dx+(a1−d) 上。
举例核一遍:取 an=3n−1(a1=2,d=3),则 5−2a5−a2=314−5=3=d ✓。
习题 4.2 第 12 题
- 如图的形状出现在南宋数学家杨辉所著的《详解九章算法·商功》中,后人称为“三角垛”。“三角垛”的最上层有1个球,第二层有3个球,第三层有6个球……设各层球数构成一个数列 {an} .
(1) 写出数列 {an} 的一个递推公式;
- (2) 根据 (1) 中的递推公式, 写出数列 {an} 的一个通项公式.
(1) 先看层与层之间多了多少。 由题给的前三项 a1=1、a2=3、a3=6,
a2−a1=2,a3−a2=3.
差本身是 2, 3,…,即第 n 层比第 n−1 层多 n 个球(每层是一个三角形阵列,
第 n 层比上一层多出一整排,那一排恰有 n 个球)。于是递推公式
{a1=1,an=an−1+n,n⩾2.
(核一遍:a2=1+2=3 ✓,a3=3+3=6 ✓,再往下 a4=6+4=10,与三角形数 1,3,6,10,… 相符。)
(2) 由递推求通项:把差累加起来。 对 n⩾2,把 n 个式子
a2−a1=2,a3−a2=3,…,an−an−1=n
逐式相加,左边中间各项两两抵消(叠加法):
an−a1=2+3+⋯+n.
右边是首项 2、末项 n、共 n−1 项的等差数列之和:
2+3+⋯+n=2(n−1)(2+n)=2n2+n−2.
所以
an=1+2n2+n−2=22+n2+n−2=2n(n+1)(n⩾2).
回头验 n=1:21×2=1=a1,对得上,所以通项公式对全部 n∈N∗ 成立:
an=2n(n+1).
核一遍:a1=1,a2=3,a3=6,a4=10,与题给数据及三角垛的实际堆法相符;
an−an−1=2n(n+1)−2(n−1)n=2n[(n+1)−(n−1)]=n,与 (1) 的递推式一致。
这道题的关键动作:递推式的差是等差数列时,用”逐式相加”(叠加法)求通项——
中间项全部抵消,只剩首项与一个等差数列的和。