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等差数列及其应用许多同学都知道这样一个故事：大数学家高斯在很小的时候，就利用巧妙的算法迅速计算出从1到100这100个自然数的总和.大家在佩服赞叹之余，有没有仔细想一想，高斯为什么算得快呢？当然，小高斯的聪明和善于观察是不必说了，往深处想，最基本的原因却是这100个数及其排列的方法本身具有极强的规律性——每项都比它前面的一项大1，即它们构成了差相等的数列，而这种数列有极简便的求和方法.通过这一讲的学习，我们将不仅掌握有关这种数列求和的方法，而且学会利用这种数列来解决许多有趣的问题.一、等差数列什么叫等差数列呢？我们先来看几个例子：①l，2，3，4，5，6，7，8，9，…②1，3，5，7，9，11，13.③2，4，6，8，10，12，14…④3，6，9，12，15，18，21.⑤100，95，90，85，80，75，70.⑥20，18，16，14，12，10，8.这六个数列有一个共同的特点，即相邻两项的差是一个固定的数，像这样的数列就称为等差数列.其中这个固定的数就称为公差，一般用字母d表示，如：数列①中，d=2-1=3-2=4-3=…=1；数列②中，d=3-1=5-3=…=13-11=2；数列⑤中，d=100-95=95-90=…=75-70=5；数列⑥中，d=20-18=18-16=…=10-8=2.例1下面的数列中，哪些是等差数列？若是，请指明公差，若不是，则说明理由.①6，10，14，18，22，…，98；②1，2，1，2，3，4，5，6；③1，2，4，8，16，32，64；④9，8，7，6，5，4，3，2；⑤3，3，3，3，3，3，3，3；⑥1，0，1，0，l，0，1，0；解：①是，公差d=4.②不是，因为数列的第3项减去第2项不等于数列的第2项减去第1项.③不是，因为4-2≠2-1.④是，公差d=l.⑤是，公差d=0.⑥不是，因为第1项减去第2项不等于第2项减去第3项.一般地说，如果一个数列是等差数列，那么这个数列的每一项或者都不小于前面的项，或者每一项都大于前面的项，上述例1的数列⑥中，第1项大于第2项，第2项却又小于第3项，所以，显然不符合等差数列的定义.为了叙述和书写的方便，通常，我们把数列的第1项记为a1，第2项记为a2，…，第n项记为an。an又称为数列的通项。a1，又称为数列的首项，最后一项又称为数列的末项.二、通项公式对于公差为d的等差数列a1，a2，…an…来说，如果a1小于a2，则由此可知：(1)an=a1+(n-1)×d若a1大于a2，则同理可推得：(2)an=a1-(n-1)×d公式（1）（2）叫做等差数列的通项公式，利用通项公式，在已知首项和公差的情况下可以求出等差数列中的任何一项.例2求等差数列1，6，11，16…的第20项.解：首项a1=1，又因为a2；大于a1；，公差d=6-1=5，所以运用公式（1）可知：第20项a20=a1=（20-1）×5=1+19×5=96.一般地，如果知道了通项公式中的两个量就可以求出另外一个量，如：由通项公式，我们可以得到项数公式：如果a1小于a2，则n=(an-a1)÷d+1若a1大于a2，则同理可推得：n=(a1-an)÷d+1例3已知等差数列2，5，8，11，14…，问47是其中第几项？解：首项a1=2，公差d=5-2=3令an=47则利用项数公式可得：n=（47-2）÷3+1=16.即47是第16项.例4如果一等差数列的第4项为21，第6项为33，求它的第8项.分析与解答方法1：要求第8项，必须知道首项和公差.因为a4=a1+3×d，又a4=21，所以a1=21-3×d又a6=a1+5×d，又a6=33，所以a1=33-5×d所以：21-3×d=33-5×d，所以d=6a1=21-3×d=3，所以a8=3+7×6=45.方法2：考虑到a8=a7+d=a6+d+d=a6+2×d，其中a6已知，只要求2×d即可.又a6=a5+d=a4+d+d=a4+2×d，所以2×d=a6-a4所以a8=3+7×6=45方法2说明：如果能够灵活运用等差数列各项间的关系，解题将更为简便.三、等差数列求和若a1小于a2，则公差为d的等差数列a1,a2,a3…an可以写为a1,a1+d,a1+d×2，…，a1+d×（n-1）.所以，容易知道：a1+an=a2+an-1=a3+an-2=a4+an-3=…=an-1+a2=an+a1.设Sn=a1+a2+a3+…+an则Sn=an+an-1+an-2+…+a1两式相加可得：2×Sn=（a1+an）+(a2+an-1)+…+(an+a1)即：2×Sn=n×（a1+an）,所以，Sn=n×（a1+an）÷2例5计算1+5+9+13+17+…+1993.当a1；大于a2。时，同样也可以得到上面的公式.这个公式就是等差数列的前n项和的公式.解：因为1，5，9，13，17，…，1993是一个等差数列，且al=1，d=4，an=1993.所以，n=（an－a1）÷d+1=499.所以，1+5+9+13+17+…+1993=（1+1993）×499÷2=997×499=497503.题目做完以后，我们再来分析一下，本题中的等差数列有499项，中间一项即第250项的值是997，而和恰等于997×499.其实，这并不是偶然的现象，关于中项有如下定理：这个定理称为中项定理.例6建筑工地有一批砖，码成如右图形状，最上层两块砖，第2层6块砖，第3层10块砖…，依次每层都比其上面一层多4块砖，已知最下层2106块砖，问中间一层多少块砖？这堆砖共有多少块？解：如果我们把每层砖的块数依次记下来，2，6，10，14，…容易知道，这是一个等差数列.方法1：a1=2，d=4，an=2106，贝n=（an-a1）÷d+1=527这堆砖共有则中间一项为a264=a1+（264-1）×4=1054.方法2：（a1+an）×n÷2=（2+2106）×527÷2=555458（块）.则中间一项为（a1+an）÷2=1054a1=2，d=4，an=2106，这堆砖共有1054×527=555458（块）.n=（an-a1）÷d+1=527例7求从1到2000的自然数中，所有偶数之和与所有奇数之和的差.解：根据题意可列出算式：（2+4+6+8+…+2000）-（1+3+5+…+1999）解法1：可以看出，2，4，6，…，2000是一个公差为2的等差数列，1，3，5，…，1999也是一个公差为2的等差数列，且项数均为1000，所以：原式=（2+2000)×1000÷2-（1+1999）×1000÷2=1000.解法2：注意到这两个等差数列的项数相等，公差相等，且对应项差1，所以1000项就差了1000个1，即原式=1000×1=1000.例8连续九个自然数的和为54，则以这九个自然数的末项作为首项的九个连续自然数之和是多少？分析与解答方法1：要想求这九个连续自然数之和，可以先求出这九个连续自然数中最小的一个.即条件中的九个连续自然数的末项.因为，条件中九个连续自然数的和为54，所以，这九个自然数的中间数为54÷9=6，则末项为6+4=10.因此，所求的九个连续自然数之和为（10+18）×9÷2=126.方法2：考察两组自然数之间的关系可以发现：后一组自然数的每一项比前一组自然数的对应项大8，因此，后一组自然数的和应为54+8×9=126.在方法1中，可以用另一种方法来求末项，根据求和公式Sn=（a1+an）×n÷2，则a1+a9=54×2÷9.又因为a1=a9-8，所以代入后也可求出a9=10.例9100个连续自然数（按从小到大的顺序排列）的和是8450，取出其中第1个，第3个…第99个，再把剩下的50个数相加，得多少？分析与解答方法1：要求和，我们可以先把这50个数算出来.100个连续自然数构成等差数列，且和为8450，则：首项+末项=8450×2÷100=169，又因为末项比首项大99，所以，首项=（169-99）÷2=35.因此，剩下的50个数为：36，38，40，42，44，46…134.这些数构成等差数列，和为（36+134）×50÷2=4250.方法2：我们考虑这100个自然数分成的两个数列，这两个数列有相同的公差，相同的项数，且剩下的数组成的数列比取走的数组成的数列的相应项总大1，因此，剩下的数的总和比取走的数的总和大50，又因为它们相加的和为8450.所以，剩下的数的总和为（8450+50）÷2=4250.四、等差数列的应用例10把210拆成7个自然数的和，使这7个数从小到大排成一行后，相邻两个数的差都是5，那么，第1个数与第6个数分别是多少？解：由题可知：由210拆成的7个数必构成等差数列，则中间一个数为210÷7=30，所以，这7个数分别是15、20、25、30、35、40、45.即第1个数是15，第6个数是40.例11把27枚棋子放到7个不同的空盒中，如果要求每个盒子都不空，且任意两个盒子里的棋子数目都不一样多，问能否办到，若能，写出具体方案，若不能，说明理由.分析与解答因为每个盒子都不空，所以盒子中至少有一枚棋子；同时，任两盒中棋子数不一样，所以7个盒中共有的棋子数至少为1+2+3+4+5+6+7=28.但题目中只给了27枚棋子，所以，题中要求不能办到.例12从1到50这50个连续自然数中，取两数相加，使其和大于50，有多少种不同的取法？解：设满足条件的两数为a、b，且a＜b，则若a=1，则b=50，共1种.若a=2，则b=49，50，共2种.若a=3，则b=48，49，50，共3种.…若a=25，则b=26，27，…50，共25种.若a=26，则b=27，28，…50，共24种.（a=26，b=25的情形与a=25，b=26相同，舍去）.若a=27，则b=28，29，…50，共23种.…若a=49，则b=50，共1种.所以，所有不同的取法种数为1+2+3+…+25+24+23+22+…+l=2×（1+2+3+…+24）+25=625.例13x+y+z=1993有多少组正整数解.显然，x不能等于1992，1993.所以，原方程的不同的整数解的组数是：l+2+3+…+1991=1983036.本题中运用了分类的思想，先按照x的值分类，在每一类中，又从y的角度来分类，如：x=1987时，因为y+z=6，且y、z均为正整数，所以y最小取1，最大取5，即按y=1，2，3，4，5分类，每一类对应一组解，因此，x=1987时，共5组解.例13把所有奇数排列成下面的数表，根据规律，请指出：①197排在第几行的第几个数？②第10行的第9个数是多少？1357911131517192123252729313335373943454749……分析与解答①197是奇数中的第99个数.数表中，第1行有1个数.第2行有3个数.第3行有5个数…第n行有2×n-l个数因此，前n行中共有奇数的个数为：1+3+5+7+…+（2×n-1）=［1+（2×n-1）〕×n÷2=n×n因为9×9＜99＜10×10.所以，第99个数位于数表的第10行的倒数第2个数，即第18个数，即197位于第10行第18个数.②第10行的第9个数是奇数中的第90个数.因为9×9+9=90），它是179.例14将自然数如下排列，12671516…3581417…491318…1012…11……在这样的排列下，数字3排在第2行第1列，13排在第3行第3列，问：1993排在第几行第几列？分析与解答不难看出，数表的排列规律如箭头所指，为研究的方便，我们不妨把原图顺时针转动45°，就成为三角阵（如右图），三角阵中，第1行1个数，第2行2个数…第n行就有n个数，设1993在三角阵中的第n行，则：1+2+3+…+n-1＜1993≤1+2+3+…+n即：n×（n-1）÷2＜1993≤n×（n+1）÷2用试值的方法，可以求出n=63.又因为1+2+…+62=1953，即第62行中最大的数为1953.三角阵中，奇数列的数字从左到右，依次增大，又1993-1953=40，所以，1993是三角阵中第63行从左开始数起的第40个