4.2 等差数列

人教 A 版 · 本节 6 页原书扫描(原文)+ 本站重写的讲解与习题详解考过 25 题 ↓

原书扫描页(人教 A 版原文)

原书 page-0017
page-0017
原书 page-0018
page-0018
原书 page-0019
page-0019
原书 page-0020
page-0020
原书 page-0021
page-0021
原书 page-0022
page-0022

本节的知识树

2 概念 · 1 公式 · 最深 3 层。根是引本节作教材出处的实体,长链由 `prereqs` 构建期派生——源里只有最小一步。

考过本节的真题

共 25 道

讲解

本站对这一节的重写(不是原书转写):顺序可重组、推导可补全,目标是易读易学 + 与真题关联。原文以上方扫描图为准。

数列这一章要研究的是”取值有规律”的数列,等差数列是第一个、也是最简单的一个: 从第 2 项起,每一项减去它的前一项,差都是同一个常数。 定义只有这一句,但它一路管到通项公式、等差中项、 下标和性质,以及后面一节的前 nn 项和公式。

课本按”发现顺序”讲——先摆四个实例,再归纳定义,再推通项公式,最后补等差中项与一条性质。 这里换成决策顺序:先把定义与通项公式立住,紧接着讲”等差数列其实是一次函数”这一个看法, 因为这一节后面所有的技巧(等差中项、下标和、插数)都是这个看法的推论。

一、定义:差为常数,且是”同一个”常数

如果数列 {an}\{a_n\} 从第 2 项起,每一项与它的前一项的差都等于同一个常数 dd, 就说 {an}\{a_n\} 是等差数列,dd 叫做它的公差。写成式子就是

an+1−an=d(n∈N∗),a_{n+1} - a_n = d \quad (n \in \mathbf{N}^*),

或者等价地 an−an−1=d (n⩾2)a_n - a_{n-1} = d\ (n \geqslant 2)。

定义里有三个字眼值得逐个抠:

  • “从第 2 项起”——第 1 项没有前一项,它不参与这个条件,它是自由的起点;
  • “每一项”——一处不合就不是等差数列。判定题里只核前两个差就下结论,是这一节最典型的错法 (见易错清单第 1 条);
  • “同一个常数”——差存在不够,差还得不随 nn 变。1, 1.1, 1.11, 1.111,…1,\ 1.1,\ 1.11,\ 1.111,\dots 每一步都在 增加,差却是 0.1, 0.01, 0.001,…0.1,\ 0.01,\ 0.001,\dots,一步比一步小,不是等差数列。

判定一个数列是不是等差数列,机械做法只有一条:把相邻两项的差逐个算出来,看它们是不是全相等。 差的正负、大小都不重要,重要的只有”一样不一样”。

二、通项公式:从递推到直接算

定义是递推的(要知道 ana_n 得先知道 an−1a_{n-1}),实用的是通项公式(直接由 nn 算 ana_n)。 推法就是把定义一层层叠上去:

a2=a1+d,a3=a2+d=a1+2d,a4=a3+d=a1+3d,…a_2 = a_1 + d, \qquad a_3 = a_2 + d = a_1 + 2d, \qquad a_4 = a_3 + d = a_1 + 3d, \qquad \dots

到 ana_n 时一共加了 n−1n-1 次 dd,于是

an=a1+(n−1)d.a_n = a_1 + (n-1)d.

课本在这里补了一句容易被跳过、但不能省的话:上面的归纳是从 n⩾2n \geqslant 2 得到的, 还要单独核一下 n=1n=1——把 n=1n=1 代进去得 a1+0⋅d=a1a_1 + 0 \cdot d = a_1,成立,所以公式对全部 n∈N∗n \in \mathbf{N}^* 都用得。这种”归纳出来的式子回头验首项”的动作,后面一章还会反复出现。

公式里有 a1a_1、dd、nn、ana_n 四个量,知道其中任意三个就能求第四个。这一节的绝大多数题都是 这一句话的变形:给两项求公差、给通项求首项、给一个值问它是第几项——都是把已知代进去解一个方程。 本站把这条公式登记为「等差数列的通项公式」,页面下方的知识树里能看到它挂在「等差数列」下面。

只要给出任意两项,公差就定死了。 由 am=a1+(m−1)da_m = a_1 + (m-1)d 与 an=a1+(n−1)da_n = a_1 + (n-1)d 相减得

am−an=(m−n)d,即d=am−anm−n(m≠n).a_m - a_n = (m-n)d, \qquad\text{即}\qquad d = \frac{a_m - a_n}{m - n} \quad (m \neq n).

这个式子比”先求 a1a_1 再求 dd“少一步,且形状就是两点间的斜率——这正是下一段要说的事。

三、一次函数的看法:这一节真正的主线

把通项公式整理一下:

an=a1+(n−1)d=dn+(a1−d).a_n = a_1 + (n-1)d = dn + (a_1 - d).

右边是 nn 的一次式。也就是说,当 d≠0d \neq 0 时,ana_n 恰好是一次函数 f(x)=dx+(a1−d)f(x) = dx + (a_1 - d) 在 x=nx = n 处的函数值。于是:

  • 等差数列的图象是一条直线上等间隔的一串孤立点 (n, an)(n,\ a_n)——是点,不是线段,因为 nn 只取正整数;
  • 公差 dd 就是那条直线的斜率。d>0d > 0 时数列递增,d<0d < 0 时递减,d=0d = 0 时是常数列;
  • 反过来,任给一次函数 f(x)=kx+bf(x) = kx + b,f(1), f(2), …, f(n),…f(1),\ f(2),\ \dots,\ f(n),\dots 一定构成公差为 kk 的等差数列。

这个看法能省掉很多计算。比如”求通过图象上所有点的直线的斜率”,不必真去求直线方程, 斜率就是公差;再比如判断 {an}\{a_n\} 是不是等差数列,只要看通项能不能写成 pn+qpn + q 的形状 (pp、qq 与 nn 无关),能就是,公差是 pp。

四、等差中项:把”成等差数列”翻译成一个方程

三个数 aa、AA、bb 依次成等差数列,就说 AA 是 aa 与 bb 的等差中项。由定义 A−a=b−AA - a = b - A 立刻得到

2A=a+b,即A=a+b2.2A = a + b, \qquad\text{即}\qquad A = \frac{a+b}{2}.

它的用处是双向的:

  • 正着用——求两个数的等差中项,就是求它们的算术平均数;
  • 反着用——题目说”某三项成等差数列”,就把它翻译成”中间那项的 2 倍等于两边之和”这一个方程。 反着用才是高考里的常见形态。

顺带一条常用的推论:在等差数列 {an}\{a_n\} 中,任取相邻的三项 an−1, an, an+1a_{n-1},\ a_n,\ a_{n+1}, 必有 2an=an−1+an+12a_n = a_{n-1} + a_{n+1}。这也是”等差”最短的一种判定写法。

五、下标和性质:p+q=s+t⇒ap+aq=as+atp+q=s+t \Rightarrow a_p+a_q=a_s+a_t

设 {an}\{a_n\} 是等差数列,p, q, s, t∈N∗p,\ q,\ s,\ t \in \mathbf{N}^* 且 p+q=s+tp+q = s+t,则

ap+aq=as+at.a_p + a_q = a_s + a_t.

证明只用通项公式:两边都等于 2a1+(p+q−2)d2a_1 + (p+q-2)d 与 2a1+(s+t−2)d2a_1 + (s+t-2)d,而 p+q=s+tp+q = s+t。

读法:下标之和相等,则对应两项之和相等。特别地,当 p+q=2mp + q = 2m 时得 ap+aq=2ama_p + a_q = 2a_m—— 这是等差中项的推广形式,也是这条性质在题里最常用的样子。例如已知 a4+a8=20a_4 + a_8 = 20, 因为 4+8=2×64 + 8 = 2 \times 6,立刻有 a6=10a_6 = 10,一步跳过解方程组。

注意方向:这条性质是”下标和相等 ⇒\Rightarrow 项和相等”,反过来一般不成立 (d=0d = 0 时所有项都相等,下标和不等的两对项和也相等)。做题时只往正方向用。

六、插数:插进去之后公差变成多少

“在 aa 和 bb 中间插入 kk 个数,使这 k+2k+2 个数成等差数列”——这类题只有一个动作: 数清插完之后一共跨了几个公差。插入 kk 个数后共有 k+2k+2 项,从第 1 项走到第 k+2k+2 项跨了 k+1k+1 步,所以新公差

d′=b−ak+1.d' = \frac{b-a}{k+1}.

同样的数法也用来处理”在原等差数列每相邻两项之间各插入 kk 个数”:原来的一个公差被切成 k+1k+1 段, 所以 d′=dk+1d' = \dfrac{d}{k+1};而原数列的第 nn 项在新数列里的位置是第 (k+1)(n−1)+1(k+1)(n-1)+1 项, 这串下标本身又是一个公差为 k+1k+1 的等差数列。遇到”插数”先数步数,别急着写通项。

七、实际问题:把”逐年减少”读成公差

课本的设备折旧例题(第 21 页例 3)值得单独说,因为它示范了实际问题的固定套路:

  1. 先认出等差——“每经过一年价值减少 dd 万元”就是 an−an−1=−da_n - a_{n-1} = -d,公差是 −d-d(不是 dd, 符号别丢);
  2. 写清 a1a_1 是谁——设 ana_n 为使用 nn 年后的价值,则 a1=220−da_1 = 220 - d,不是 220220。 220220 是”使用 0 年”时的价值,把它当成首项,后面每一项都会错一格;
  3. 把”使用年限为 10 年”翻译成不等式组——第 10 年末还没报废、第 11 年末已报废,即 a10⩾11a_{10} \geqslant 11 且 a11<11a_{11} < 11,两个不等式缺一不可,只写一个会把答案做成一条射线。

第 3 步是这一类题的分水岭:临界条件要写成”这一年还行、下一年不行”的一对不等式, 而不是一句”大约十年”。

八、易错清单

按失分频率排:

  1. 只核一两个差就判定等差。 定义要求”每一项”都合。1, −2, 3, −4,…1,\ -2,\ 3,\ -4,\dots 的头两个差是 −3-3 与 55,一算就露馅;但像 1, 1.1, 1.11,…1,\ 1.1,\ 1.11,\dots 这种越看越像的,非把所有差都算出来不可。
  2. 通项公式里写成 a1+nda_1 + nd。 是 (n−1)d(n-1)d——从 a1a_1 走到 ana_n 只跨了 n−1n-1 步。 核这一步最快的办法是代 n=1n=1:结果必须回到 a1a_1。
  3. 插数时把步数数错。 插 kk 个数是切成 k+1k+1 段,不是 kk 段。
  4. 实际问题里首项取错。 “初始值”往往是第 0 项而不是第 1 项,先把 a1a_1 是什么写在纸上。
  5. 下标和性质反着用。 由 ap+aq=as+ata_p + a_q = a_s + a_t 推不出 p+q=s+tp+q=s+t。
  6. 公差的符号丢掉。 递减数列的 dd 是负数,“每年减少 dd“对应的公差是 −d-d。
  7. 求出的 nn 不是正整数还照抄。 “某个数是不是这个数列的项”这类题,解出 nn 之后必须核 n∈N∗n \in \mathbf{N}^*;解出 n=7.5n = 7.5 的正确答案是”不是它的项”。

九、这一节考过的真题(怎么用它们)

页面下方”考过本节的真题”那一段是构建期从知识图谱派生出来的完整清单,这里只给一个读的顺序:

  • 先做 2023 年第 20 题:给两个条件求通项,再讨论一个整除条件——它是”四个量知三求一”最正统的 一道,把基本量法练熟;
  • 再做 2023 年第 7 题:判断”{an}\{a_n\} 等差”与”前 nn 项和的均值成等差”互为什么条件。 它考的是定义本身(差为常数),而不是套公式,正好补上”会算但说不清”的那一块;
  • 然后是 2025 年第 16 题:题目给的递推式不是等差,要先构造 {nan}\{na_n\} 才等差。 这一步就是本节的第一句话——只要相邻两项的差是常数,那个新数列就是等差数列;
  • 2022 年第 20 题与 2022 年第 10 题分别把等差数列接到等比(在等差数列里塞出等比三项) 与放缩估值上,看的是等差数列作为工具怎么被别的题借用;
  • 最后是 2024 年第 19 题,这一节的上限:它整题都在数列上做构造与计数,等差只是其中一环。 做不动也没关系,先看懂第 (1) 问怎么把问题化归到一个标准区间上。

习题详解(本站解答,无官方答案可核)

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。

本节课本习题共 7 道:第 20 页「练习」5 道、第 22 页「练习」2 道。其中 6 道逐题全做, 不收的是第 20 页「练习」第 3 题——它的题面是一张表格,而表格在课本上是图、不在文字转写里, 题面引文引不全,本站的独立复核也就无靶可核(本站解答没有官方答案可比,逐题复核是唯一那道关; 见页面上那句声明)。要做这道题,请对着上方第 20 页的扫描图读表,方法与第 4 题、第 5 题同源: 表头是 a1,a3,a5,a7a_1,a_3,a_5,a_7,相邻两栏之间跨的是 2 个公差。

本节没有「习题 4.2」——它排在 §4.2.2 那一节的末尾,归那一份详解。 每道题先逐字引课本的题面(引用块),再写解答。

练习(第 20 页)第 1 题

  1. 判断下列数列是不是等差数列。如果是,写出它的公差。

(1) 95, 82, 69, 56, 43, 30;

(2) 1, 1.1, 1.11, 1.111, 1.1111, 1.11111;

(3) 1, -2, 3, -4, 5, -6;

(4) 1, 1112\frac{11}{12} , 56\frac{5}{6} , 34\frac{3}{4} , 23\frac{2}{3} , 712\frac{7}{12} , 12\frac{1}{2} .

判定只有一条路:把相邻两项的差逐个算出来,看它们是不是全相等。定义要求”每一项”都合, 所以四组都要算到底,不能只核头两个差。

(1) 依次作差:

82−95=−13,69−82=−13,56−69=−13,43−56=−13,30−43=−13.82-95=-13,\quad 69-82=-13,\quad 56-69=-13,\quad 43-56=-13,\quad 30-43=-13.

5 个差全等于 −13-13,所以它是等差数列,公差 d=−13d=-13。

(2) 依次作差:

1.1−1=0.1,1.11−1.1=0.01,1.111−1.11=0.001,…1.1-1=0.1,\quad 1.11-1.1=0.01,\quad 1.111-1.11=0.001,\quad \dots

差是 0.1, 0.01, 0.001, …0.1,\ 0.01,\ 0.001,\ \dots,一步比一步小,不是同一个常数,所以它不是等差数列。 (它每一项都比前一项大,但”递增”与”等差”是两回事。)

(3) 依次作差:

−2−1=−3,3−(−2)=5,−4−3=−7,5−(−4)=9,−6−5=−11.-2-1=-3,\quad 3-(-2)=5,\quad -4-3=-7,\quad 5-(-4)=9,\quad -6-5=-11.

差在正负之间摆动,不是常数,所以它不是等差数列。

(4) 通分到 12 分母再作差:1=12121=\frac{12}{12},56=1012\frac{5}{6}=\frac{10}{12},34=912\frac{3}{4}=\frac{9}{12}, 23=812\frac{2}{3}=\frac{8}{12},12=612\frac{1}{2}=\frac{6}{12},于是这 7 项依次是

1212, 1112, 1012, 912, 812, 712, 612.\frac{12}{12},\ \frac{11}{12},\ \frac{10}{12},\ \frac{9}{12},\ \frac{8}{12},\ \frac{7}{12},\ \frac{6}{12}.

分子每次减 1,所以 6 个差全等于 −112-\dfrac{1}{12},它是等差数列,公差 d=−112d=-\dfrac{1}{12}。

这道题的关键动作:先把各项化成同一种形式(同分母、同小数位)再作差——(4) 不通分几乎必错。

练习(第 20 页)第 2 题

  1. 求下列各组数的等差中项:

(1) 647 和 895; (2) −1213-12\frac{1}{3} 和 243524\frac{3}{5} .

若 AA 是 aa 与 bb 的等差中项,则 a, A, ba,\ A,\ b 成等差数列,由 A−a=b−AA-a=b-A 得 2A=a+b2A=a+b,即

A=a+b2.A=\frac{a+b}{2}.

(1)

A=647+8952=15422=771.A=\frac{647+895}{2}=\frac{1542}{2}=771.

核一遍:771−647=124771-647=124,895−771=124895-771=124,两个差相等,771771 确实是等差中项。

(2) 先把带分数化成假分数:−1213=−373-12\frac{1}{3}=-\dfrac{37}{3},2435=123524\frac{3}{5}=\dfrac{123}{5}。 通分到 15 分母:

−373=−18515,1235=36915.-\frac{37}{3}=-\frac{185}{15},\qquad \frac{123}{5}=\frac{369}{15}.

于是

A=12(−18515+36915)=12⋅18415=9215.A=\frac{1}{2}\left(-\frac{185}{15}+\frac{369}{15}\right)=\frac{1}{2}\cdot\frac{184}{15}=\frac{92}{15}.

写成带分数是 62156\frac{2}{15}。核一遍:9215−(−18515)=27715\dfrac{92}{15}-\left(-\dfrac{185}{15}\right)=\dfrac{277}{15}, 36915−9215=27715\dfrac{369}{15}-\dfrac{92}{15}=\dfrac{277}{15},两个差相等。

这里保留分数到最后一步,不取小数:9215=6.13‾\dfrac{92}{15}=6.1\overline{3} 是无限循环小数,早取近似会把 “两个差相等”这一步核不干净。

练习(第 20 页)第 4 题

  1. 已知在等差数列 {an}\{a_{n}\} 中,a4+a8=20a_{4} + a_{8} = 20,a7=12a_{7} = 12。求 a4a_{4}。

设首项为 a1a_1、公差为 dd。

解法一(用下标和性质)。 因为 4+8=2×64+8=2\times 6,由等差数列的下标和性质 ap+aq=as+at (p+q=s+t)a_p+a_q=a_s+a_t\ (p+q=s+t) 取 p=4, q=8, s=t=6p=4,\ q=8,\ s=t=6,得

a4+a8=2a6=20  ⟹  a6=10.a_4+a_8=2a_6=20 \;\Longrightarrow\; a_6=10.

又 a7=12a_7=12,而 a7−a6=da_7-a_6=d,所以

d=12−10=2.d=12-10=2.

从 a7a_7 退 3 个公差到 a4a_4:

a4=a7−3d=12−3×2=6.a_4=a_7-3d=12-3\times 2=6.

解法二(基本量法,不依赖性质)。 把两个条件都写成 a1a_1 与 dd 的式子:

{(a1+3d)+(a1+7d)=20,a1+6d=12,即{2a1+10d=20,a1+6d=12.\begin{cases} (a_1+3d)+(a_1+7d)=20,\\ a_1+6d=12, \end{cases} \qquad\text{即}\qquad \begin{cases} 2a_1+10d=20,\\ a_1+6d=12. \end{cases}

第一式两边除以 2 得 a1+5d=10a_1+5d=10,与第二式相减得 d=2d=2,回代得 a1=12−12=0a_1=12-12=0。于是

a4=a1+3d=0+6=6.a_4=a_1+3d=0+6=6.

两条路都给出 a4=6a_4=6。

回代核一遍:a1=0, d=2a_1=0,\ d=2 时 a4=6a_4=6、a8=14a_8=14,a4+a8=20a_4+a_8=20 成立;a7=12a_7=12 也成立。 两个已知条件都对得上,所以 a4=6a_4=6。

练习(第 20 页)第 5 题

  1. 在 7 和 21 中插入 3 个数,使这 5 个数成等差数列.

插入 3 个数之后一共 5 项,记为 a1, a2, a3, a4, a5a_1,\ a_2,\ a_3,\ a_4,\ a_5,其中 a1=7a_1=7、a5=21a_5=21。 先数步数:从第 1 项走到第 5 项跨了 5−1=45-1=4 个公差,所以

a5=a1+4d  ⟹  21=7+4d  ⟹  4d=14  ⟹  d=72=3.5.a_5=a_1+4d \;\Longrightarrow\; 21=7+4d \;\Longrightarrow\; 4d=14 \;\Longrightarrow\; d=\frac{7}{2}=3.5.

于是插入的三个数依次是

a2=7+3.5=10.5,a3=10.5+3.5=14,a4=14+3.5=17.5.a_2=7+3.5=10.5,\qquad a_3=10.5+3.5=14,\qquad a_4=14+3.5=17.5.

即在 7 和 21 之间依次插入 10.510.5、1414、17.517.5,五个数 7, 10.5, 14, 17.5, 217,\ 10.5,\ 14,\ 17.5,\ 21 成等差数列。

核一遍:相邻两项之差依次是 3.5, 3.5, 3.5, 3.53.5,\ 3.5,\ 3.5,\ 3.5,全相等;首项 77、末项 2121 与题目相符。

顺带记一条通法:在 aa 和 bb 之间插入 kk 个数,插完共 k+2k+2 项、跨 k+1k+1 个公差,所以 d=b−ak+1d=\dfrac{b-a}{k+1}。本题 k=3k=3,d=21−74=3.5d=\dfrac{21-7}{4}=3.5,一步到位。

练习(第 22 页)第 1 题

  1. 某体育场一角看台的座位是这样排列的:第1排有15个座位,从第2排起每一排都比前一排多2个座位。你能用 ana_{n} 表示第 nn 排的座位数吗?第10排有多少个座位?

设第 nn 排有 ana_n 个座位。题目说”从第 2 排起每一排都比前一排多 2 个座位”,就是

an−an−1=2(n⩾2),a_n-a_{n-1}=2 \quad (n\geqslant 2),

差是同一个常数,所以 {an}\{a_n\} 是等差数列,公差 d=2d=2;又第 1 排有 15 个座位,即 a1=15a_1=15。 代入通项公式:

an=a1+(n−1)d=15+2(n−1)=2n+13.a_n=a_1+(n-1)d=15+2(n-1)=2n+13.

这里的 nn 取正整数,且不超过该看台的排数(题目没有给排数,所以只写通项、不另设上界)。

把 n=10n=10 代入:

a10=2×10+13=33.a_{10}=2\times 10+13=33.

所以第 nn 排有 2n+132n+13 个座位,第 10 排有 33 个座位。

核一遍:a1=2×1+13=15a_1=2\times 1+13=15,与”第 1 排 15 个”相符;a2−a1=17−15=2a_2-a_1=17-15=2,与”每排多 2 个”相符。 代 n=1n=1 回到首项,是通项公式写完必做的一步(防止把 (n−1)d(n-1)d 写成 ndnd)。

练习(第 22 页)第 2 题

  1. 画出数列 an={18,n=1,an−1−3,1<n⩽6a_{n} = \begin{cases} 18, & n = 1, \\ a_{n-1} - 3, & 1 < n \leqslant 6 \end{cases} 的图象,并求通过图象上所有点的直线的斜率.

题目给的是递推式:首项 a1=18a_1=18,从第 2 项起每一项比前一项少 3,且 nn 只取 11 到 66。 由 an−an−1=−3a_n-a_{n-1}=-3 知 {an}\{a_n\} 是公差 d=−3d=-3 的等差数列(共 6 项)。

先算出六项。

a1=18,a2=15,a3=12,a4=9,a5=6,a6=3.a_1=18,\quad a_2=15,\quad a_3=12,\quad a_4=9,\quad a_5=6,\quad a_6=3.

也可以直接用通项公式核:an=18+(n−1)(−3)=21−3na_n=18+(n-1)(-3)=21-3n,代 n=1,…,6n=1,\dots,6 得同样的六个数, 且 a1=21−3=18a_1=21-3=18 与首项相符。

图象:在平面直角坐标系里描出这 6 个点

nn123456
ana_n181512963

即 (1,18), (2,15), (3,12), (4,9), (5,6), (6,3)(1,18),\ (2,15),\ (3,12),\ (4,9),\ (5,6),\ (6,3)。图象是这 6 个孤立的点, 不是一条线段——nn 只取正整数,两点之间没有图象。

斜率:这 6 个点共线(因为 an=21−3na_n=21-3n 是 nn 的一次式),过它们的直线是 y=21−3xy=21-3x, 所以斜率

k=−3.k=-3.

也可以直接用两点算:取 (1,18)(1,18) 与 (6,3)(6,3),

k=3−186−1=−155=−3,k=\frac{3-18}{6-1}=\frac{-15}{5}=-3,

与公差相同。

这道题的关键动作:公差就是那条直线的斜率。等差数列的通项 an=dn+(a1−d)a_n=dn+(a_1-d) 是 nn 的一次式, 所以点 (n,an)(n,a_n) 全落在斜率为 dd 的直线上——求斜率不必先求直线方程,读公差即可。

原书转写(OCR,供核对)

共 6 页· 默认折起

机器转写,如有出入以上方扫描图为准。它是原文可搜索、可复制公式、读屏器读得出的形态, 也是教材原文引文的逐字比对靶。

4.2 等差数列

我们知道,数列是一种特殊的函数。在函数的研究中,我们在理解了函数的一般概念,了解了函数变化规律的研究内容(如单调性、奇偶性等)后,通过研究基本初等函数,不仅加深了对函数的理解,而且掌握了幂函数、指数函数、对数函数、三角函数等非常有用的函数模型。类似地,在了解了数列的一般概念后,我们要研究一些具有特殊变化规律的数列,建立它们的通项公式和前 nn 项和公式,并运用它们解决实际问题和数学问题,从中感受数学模型的现实意义与应用。下面,我们从一类取值规律比较简单的数列入手。

4.2.1 等差数列的概念

请看下面几个问题中的数列.

  1. 北京天坛圜丘坛的地面由石板铺成,最中间是圆形的天心石,围绕天心石的是9圈扇环形的石板,从内到外各圈的石板数依次为

9, 18, 27, 36, 45, 54, 63, 72, 81. ①

  1. S, M, L, XL, XXL, XXXL 型号的女装上衣对应的尺码分别是
38,40,42,44,46,48.(2◯)3 8, 4 0, 4 2, 4 4, 4 6, 4 8.\tag{\text{\textcircled{2}}}

  1. 测量某地垂直地面方向上海拔 500 m 以下的大气温度,得到从距离地面 20 m 起每升高 100 m 处的大气温度(单位:℃)依次为
25.0,24.4,23.8,23.2,22.6.(3◯)2 5. 0, 2 4. 4, 2 3. 8, 2 3. 2, 2 2. 6.\tag{\text{\textcircled{3}}}
  1. 某人向银行贷款 aa 万元,贷款时间为 nn 年。如果个人贷款月利率为 rr,那么按照等额本金方式还款,他从某月开始,每月应还本金 b(=a12n)b\left(= \frac{a}{12n}\right) 万元,每月支付给银行的利息(单位:万元)依次为
ar,ar−br,ar−2br,ar−3br,… .(4◯)a r, a r - b r, a r - 2 b r, a r - 3 b r, \dots .\tag{\text{\textcircled{4}}}

● ●

如果按月还款,等额本金还款方式的计算公式是

每月归还本金 == 贷款总额 ÷\div 贷款期总月数,

利息部分=(贷款总额-已归还本金累计额)×月利率.

思考

在代数的学习中,我们常常通过运算来发现规律。例如,在指数函数的学习中,我们通过运算发现了A,B两地旅游人数的变化规律。类似地,你能通过运算发现以上数列的取值规律吗?

对于①,我们发现

18=9+9,27=18+9,…,81=72+9,1 8 = 9 + 9, 2 7 = 1 8 + 9, \dots , 8 1 = 7 2 + 9,

换一种写法,就是

18−9=9,27−18=9,…,81−72=9.1 8 - 9 = 9, 2 7 - 1 8 = 9, \dots , 8 1 - 7 2 = 9.

改变表达方式使数列的取值规律更突出了.

如果用 {an}\{a_{n}\} 表示数列①,那么有

a2−a1=9,a3−a2=9,…,a9−a8=9.a _ {2} - a _ {1} = 9, a _ {3} - a _ {2} = 9, \dots , a _ {9} - a _ {8} = 9.

这表明,数列①有这样的取值规律:从第2项起,每一项与它的前一项的差都等于同一个常数.数列②~④也有这样的取值规律.

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都等于同一个常数,那么这个数列就叫做等差数列(arithmetic progression),这个常数叫做等差数列的公差(common difference),公差通常用字母 dd 表示。例如,数列①的公差 d=9d = 9。

由三个数 a,A,ba, A, b 组成的等差数列可以看成是最简单的等差数列。这时,AA 叫做 aa 与 bb 的等差中项(arithmetic mean)。根据等差数列的定义可以知道,2A=a+b2A = a + b。

在日常生活中,人们常常用到等差数列。例如,在给各种产品的尺寸划分级别时,当其中的最大尺寸与最小尺寸相差不大时,常按等差数列进行分级(如前面例子中的上衣尺码)。你能举出一些例子吗?

探究

你能根据等差数列的定义推导它的通项公式吗?

设一个等差数列 {an}\{a_{n}\} 的首项为 a1a_1 ,公差为 dd ,根据等差数列的定义,可得

an+1−an=d,a _ {n + 1} - a _ {n} = d,

an+1−an=da_{n + 1} - a_n = d 就是等差数列 {an}\{a_{n}\} 的递推公式.

所以

a2−a1=d,a3−a2=d,a4−a3=d,… .a _ {2} - a _ {1} = d, a _ {3} - a _ {2} = d, a _ {4} - a _ {3} = d, \dots .

于是

a2=a1+d,a _ {2} = a _ {1} + d,

a3=a2+d=(a1+d)+d=a1+2d,a _ {3} = a _ {2} + d = (a _ {1} + d) + d = a _ {1} + 2 d,

a4=a3+d=(a1+2d)+d=a1+3d,a _ {4} = a _ {3} + d = (a _ {1} + 2 d) + d = a _ {1} + 3 d,

归纳可得

an=a1+(n−1)d(n⩾2).a _ {n} = a _ {1} + (n - 1) d (n \geqslant 2).

当 n=1n = 1 时,上式为 a1=a1+(1−1)d=a1a_1 = a_1 + (1 - 1)d = a_1。这就是说,上式当 n=1n = 1 时也成立。因此,首项为 a1a_1,公差为 dd 的等差数列 {an}\{a_n\} 的通项公式为

an=a1+(n−1)d.a _ {n} = a _ {1} + (n - 1) d.

思考

观察等差数列的通项公式,你认为它与我们熟悉的哪一类函数有关?

由于 an=a1+(n−1)d=dn+(a1−d)a_{n} = a_{1} + (n - 1)d = dn + (a_{1} - d),所以当 d≠0d \neq 0 时,等差数列 {an}\{a_{n}\} 的第 nn 项 ana_{n} 是一次函数 f(x)=dx+(a1−d)(x∈R)f(x) = dx + (a_{1} - d)(x \in \mathbf{R}) 当 x=nx = n 时的函数值,即 an=f(n)a_{n} = f(n).

如图 4.2-1,在平面直角坐标系中画出函数 f(x)=dx+(a1−d)f(x)=dx+(a_{1}-d) 的图象,就得到一条斜率为 d,截距为 a1−da_{1}-d 的直线。在这条直线上描出点 (1,f(1))(1, f(1)) , (2,f(2))(2, f(2)) , ⋯\cdots , (n,f(n))(n, f(n)) , ⋯\cdots ,就得到了等差数列 {an}\{a_{n}\} 的图象。事实上,公差 d≠0d \neq 0 的等差数列 {an}\{a_{n}\} 的图象是点 (n,an)(n, a_{n}) 组成的集合,这些点均匀分布在直线 f(x)=dx+(a1−d)f(x)=dx+(a_{1}-d) 上。

反之,任给一次函数 f(x)=kx+bf(x)=kx+b (k,b 为常数),则 f(1)=k+bf(1)=k+b , f(2)=2k+bf(2)=2k+b ,…, f(n)=nk+bf(n)=nk+b ,…构成一个等差数列 {nk+b}\{nk+b\} ,其首项为 (k+b)(k+b) ,公差为 k.

下面,我们利用通项公式解决等差数列的一些问题.

例1(1)已知等差数列 {an}\{a_{n}\} 的通项公式为 an=5−2na_{n} = 5 - 2n ,求 {an}\{a_{n}\} 的公差和首项;

(2) 求等差数列 8, 5, 2, … 的第 20 项.

分析:(1)已知等差数列的通项公式,只要根据等差数列的定义,由 an−an−1=da_{n} - a_{n - 1} = d 即可求出公差 dd ;(2)可以先根据数列的两个已知项求出通项公式,再利用通项公式求数列的第20项.

解:(1)当 n⩾2n\geqslant 2 时,由 {an}\{a_{n}\} 的通项公式 an=5−2na_{n} = 5 - 2n ,可得

于是

an−1=5−2(n−1)=7−2n.a _ {n - 1} = 5 - 2 (n - 1) = 7 - 2 n.

d=an−an−1=(5−2n)−(7−2n)=−2.d = a _ {n} - a _ {n - 1} = (5 - 2 n) - (7 - 2 n) = - 2.

把 n=1n = 1 代入通项公式 an=5−2na_{n} = 5 - 2n ,得

a1=5−2×1=3.a _ {1} = 5 - 2 \times 1 = 3.

所以, {an}\{a_{n}\} 的公差为-2,首项为3.

(2) 由已知条件,得

d=5−8=−3.d = 5 - 8 = - 3.

把 a1=8a_1 = 8 , d=−3d = -3 代入 an=a1+(n−1)da_{n} = a_{1} + (n - 1)d ,得

an=8−3(n−1)=11−3n.a _ {n} = 8 - 3 (n - 1) = 1 1 - 3 n.

把 n=20 代入上式,得

a20=11−3×20=−49.a _ {2 0} = 1 1 - 3 \times 2 0 = - 4 9.

所以,这个数列的第20项是-49.

例 2 —401 是不是等差数列 -5, -9, -13, … 的项?如果是,是第几项?

分析:先求出数列的通项公式,它是一个关于 nn 的方程,再看-401是否能使这个方程有正整数解.

解:由 a1=−5a_1 = -5 , d=−9−(−5)=−4d = -9 - (-5) = -4 ,得这个数列的通项公式为

an=−5−4(n−1)=−4n−1.a _ {n} = - 5 - 4 (n - 1) = - 4 n - 1.

令

−4n−1=−401,- 4 n - 1 = - 4 0 1,

解这个关于 nn 的方程,得

n=100.n = 1 0 0.

所以,-401 是这个数列的项,是第 100 项.

练习

  1. 判断下列数列是不是等差数列。如果是,写出它的公差。

(1) 95, 82, 69, 56, 43, 30;

(2) 1, 1.1, 1.11, 1.111, 1.1111, 1.11111;

(3) 1, -2, 3, -4, 5, -6;

(4) 1, 1112\frac{11}{12} , 56\frac{5}{6} , 34\frac{3}{4} , 23\frac{2}{3} , 712\frac{7}{12} , 12\frac{1}{2} .

  1. 求下列各组数的等差中项:

(1) 647 和 895; (2) −1213-12\frac{1}{3} 和 243524\frac{3}{5} .

  1. 已知 {an}\{a_{n}\} 是一个等差数列,请在下表中的空格处填入适当的数.

  2. 已知在等差数列 {an}\{a_{n}\} 中,a4+a8=20a_{4} + a_{8} = 20,a7=12a_{7} = 12。求 a4a_{4}。

  3. 在 7 和 21 中插入 3 个数,使这 5 个数成等差数列.

例3 某公司购置了一台价值为220万元的设备,随着设备在使用过程中老化,其价值会逐年减少。经验表明,每经过一年其价值就会减少 d(dd(d 为正常数)万元。已知这台设备的使用年限为10年,超过10年,它的价值将低于购进价值的 5%5\% ,设备将报废。请确定 dd 的取值范围。

分析:这台设备使用 nn 年后的价值构成一个数列 {an}\{a_{n}\}。由题意可知,10年之内(含10年),这台设备的价值应不小于(220×5%=220 \times 5\% =)11万元;而10年后,这台设备的价值应小于11万元。可以利用 {an}\{a_{n}\} 的通项公式列不等式求解。

解:设使用 nn 年后,这台设备的价值为 ana_{n} 万元,则可得数列 {an}\{a_{n}\}。由已知条件,得

an=an−1−d(n⩾2).a _ {n} = a _ {n - 1} - d (n \geqslant 2).

由于 dd 是与 nn 无关的常数,所以数列 {an}\{a_{n}\} 是一个公差为 −d-d 的等差数列.因为购进设备的价值为220万元,所以 a1=220−da_1 = 220 - d ,于是

an=a1+(n−1)(−d)=220−nd.a _ {n} = a _ {1} + (n - 1) (- d) = 2 2 0 - n d.

根据题意,得

{a10⩾11,a11<11,\left\{ \begin{array}{l} a _ {1 0} \geqslant 1 1, \\ a _ {1 1} < 1 1, \end{array} \right.

即

{220−10d⩾11,220−11d<11.\left\{ \begin{array}{l} 2 2 0 - 1 0 d \geqslant 1 1, \\ 2 2 0 - 1 1 d < 1 1. \end{array} \right.

解这个不等式组,得

19<d⩽20.9.1 9 < d \leqslant 2 0. 9.

所以,d 的取值范围为 19<d⩽20.919 < d \leqslant 20.9 .

例4 已知等差数列 {an}\{a_{n}\} 的首项 a1=2a_1 = 2 ,公差 d=8d = 8 ,在 {an}\{a_{n}\} 中每相邻两项之间都插入3个数,使它们和原数列的数一起构成一个新的等差数列 {bn}\{b_{n}\}

(1) 求数列 {bn}\{b_{n}\} 的通项公式.

(2) b29b_{29} 是不是数列 {an}\{a_{n}\} 的项?若是,它是 {an}\{a_{n}\} 的第几项?若不是,说明理由.

分析:(1) {an}\{a_{n}\} 是一个确定的数列,只要把 a1a_1 , a2a_2 表示为 {bn}\{b_n\} 中的项,就可以利用等差数列的定义得出 {bn}\{b_n\} 的通项公式;(2)设 {an}\{a_{n}\} 中的第 nn 项是 {bn}\{b_{n}\} 中的第 cnc_{n} 项,根据条件可以求出 nn 与 cnc_{n} 的关系式,由此即可判断 b29b_{29} 是不是 {an}\{a_{n}\} 的项.

解:(1)设数列 {bn}\{b_{n}\} 的公差为 d′d' .

由题意可知, b1=a1b_{1}=a_{1} , b5=a2b_{5}=a_{2} ,于是

b5−b1=a2−a1=8.b _ {5} - b _ {1} = a _ {2} - a _ {1} = 8.

因为 b5−b1=4d′b_{5} - b_{1} = 4d^{\prime} ,所以 4d′=84d^{\prime} = 8 ,所以 d′=2d^{\prime} = 2 所以

如果插入 k(k∈N∗)k(k\in \mathbf{N}^*) 个数,那么 {bn}\{b_n\} 的公差是多少?

bn=2+(n−1)×2=2n.b _ {n} = 2 + (n - 1) \times 2 = 2 n.

所以,数列 {bn}\{b_n\} 的通项公式是

bn=2n.b _ {n} = 2 n.

(2)数列 {an}\{a_{n}\} 的各项依次是数列 {bn}\{b_{n}\} 的第1,5,9,13,…项,这些下标构成一个首项为1,公差为4的等差数列 {cn}\{c_{n}\} ,则 cn=4n−3c_{n}=4n-3 .

令 4n−3=294n - 3 = 29 ,解得

对于第(2)小题, 你还有其他解决方法吗?

n=8.n = 8.

所以, b29b_{29} 是数列 {an}\{a_{n}\} 的第8项.

例5 已知数列 {an}\{a_{n}\} 是等差数列,p,q,s,t∈N∗p, q, s, t \in \mathbf{N}^{*},且 p+q=s+tp + q = s + t。求证 ap+aq=as+ata_{p} + a_{q} = a_{s} + a_{t}。

分析:只要根据等差数列的定义写出 ap,aq,as,ata_{p}, a_{q}, a_{s}, a_{t},再利用已知条件即可得证。证明:设数列 {an}\{a_{n}\} 的公差为 dd,则

ap=a1+(p−1)d,aq=a1+(q−1)d,as=a1+(s−1)d,at=a1+(t−1)d.\begin{array}{l} a _ {p} = a _ {1} + (p - 1) d, \\ a _ {q} = a _ {1} + (q - 1) d, \\ a _ {s} = a _ {1} + (s - 1) d, \\ a _ {t} = a _ {1} + (t - 1) d. \end{array}

所以

ap+aq=2a1+(p+q−2)d,as+at=2a1+(s+t−2)d.\begin{array}{l} a _ {p} + a _ {q} = 2 a _ {1} + (p + q - 2) d, \\ a _ {s} + a _ {t} = 2 a _ {1} + (s + t - 2) d. \end{array}

因为 p+q=s+tp + q = s + t ,所以

ap+aq=as+at.a _ {p} + a _ {q} = a _ {s} + a _ {t}.

思考

例 5 是等差数列的一条性质,图 4.2-2 是它的一种情形.你能从几何角度解释等差数列的这一性质吗?

练习

  1. 某体育场一角看台的座位是这样排列的:第1排有15个座位,从第2排起每一排都比前一排多2个座位。你能用 ana_{n} 表示第 nn 排的座位数吗?第10排有多少个座位?

  2. 画出数列 an={18,n=1,an−1−3,1<n⩽6a_{n} = \begin{cases} 18, & n = 1, \\ a_{n-1} - 3, & 1 < n \leqslant 6 \end{cases} 的图象,并求通过图象上所有点的直线的斜率.