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第17课 — 等差数列(PA)

常数差的数列。通项公式、项和(高斯法),财务和物理应用。

Used in: 1.º ano EM (15 anos) · Equiv. Math I japonês · Equiv. Klasse 10 alemã

an=a1+(n1)r,Sn=n(a1+an)2a_n = a_1 + (n-1)\,r, \qquad S_n = \frac{n\,(a_1 + a_n)}{2}
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Rigorous notation, full derivation, hypotheses

定义和公式

通项公式

an=a1+(n1)ra_n = a_1 + (n-1)\,r
(1)
what this means · 等差数列的通项公式。在a₁和aₙ之间恰好有n−1个大小为r的跳跃。

可通过对nn的数学归纳法证明。等价于任意索引ppan=ap+(np)ra_n = a_p + (n-p)\,r

"等差数列是一个数列,其中任意两个相邻项之间的差是常数。" — OpenStax College Algebra 2e, §9.2

nn项和

Sn=k=1nak=n(a1+an)2=n[2a1+(n1)r]2S_n = \sum_{k=1}^n a_k = \frac{n\,(a_1 + a_n)}{2} = \frac{n\,[\,2a_1 + (n-1)r\,]}{2}
(2)
what this means · 高斯之和。等距两端的每一对项加和得a₁ + aₙ。有n/2对,总和为n(a₁ + aₙ)/2。

证明(儿童高斯,约1789年):写两遍SnS_n——升序和降序:

Sn=a1+a2++an1+anSn=an+an1++a2+a1\begin{aligned} S_n &= a_1 + a_2 + \ldots + a_{n-1} + a_n \\ S_n &= a_n + a_{n-1} + \ldots + a_2 + a_1 \end{aligned}

逐项相加:2Sn=n(a1+an)2 S_n = n\,(a_1 + a_n),因为每一对都加起来等于a1+ana_1 + a_n。∎

性质

  • 算术平均:三个连续项满足an=(an1+an+1)/2a_n = (a_{n-1} + a_{n+1})/2
  • 递增(若r>0r > 0)、递减(若r<0r < 0)、常数(若r=0r = 0)。
  • 两端之和等于等距项之和a1+an=a2+an1=a_1 + a_n = a_2 + a_{n-1} = \ldots

幂和(预告)

k=1nk=n(n+1)2,k=1nk2=n(n+1)(2n+1)6,k=1nk3=(n(n+1)2)2\sum_{k=1}^n k = \frac{n(n+1)}{2}, \quad \sum_{k=1}^n k^2 = \frac{n(n+1)(2n+1)}{6}, \quad \sum_{k=1}^n k^3 = \left(\frac{n(n+1)}{2}\right)^2

详解例题

Exercise list

40 exercises · 10 with worked solution (25%)

Application 22Understanding 2Modeling 10Challenge 3Proof 3
  1. Ex. 17.1Application

    公差r=3r = 3的等差数列,a1=1a_1 = 1。计算a10a_{10}

  2. Ex. 17.2Application

    公差r=7r = -7的等差数列,a1=100a_1 = 100。计算a15a_{15}

  3. Ex. 17.3Application

    在等差数列中,a5=17a_5 = 17a10=32a_{10} = 32。确定a1a_1rr

  4. Ex. 17.4Application

    在等差数列中,a3=10a_3 = 10a8=35a_8 = 35。确定通项。

  5. Ex. 17.5Application

    有限等差数列5,8,11,,2005, 8, 11, \ldots, 200有多少项?

  6. Ex. 17.6Application

    等差数列有通项an=4n1a_n = 4n - 1a1a_1rr是多少?

  7. Ex. 17.7ApplicationAnswer key

    等差数列a1=5a_1 = 5a19=95a_{19} = 95。计算rr

  8. Ex. 17.8ApplicationAnswer key

    确定xx,使得3x13x - 1x+5x + 52x+92x + 9按此顺序形成等差数列。

  9. Ex. 17.9Application

    在等差数列中,a2+a8=26a_2 + a_8 = 26a3=10a_3 = 10。计算a1a_1rr

  10. Ex. 17.10ApplicationAnswer key

    在3和18之间插入4个等差中项。

  11. Ex. 17.11ApplicationAnswer key

    计算1+2+3++101 + 2 + 3 + \ldots + 10

  12. Ex. 17.12Application

    计算1+2+3++1001 + 2 + 3 + \ldots + 100 — 高斯的经典问题。

  13. Ex. 17.13Application

    计算偶数之和:2+4+6++1002 + 4 + 6 + \ldots + 100

  14. Ex. 17.14ApplicationAnswer key

    计算奇数之和:1+3+5++991 + 3 + 5 + \ldots + 99

  15. Ex. 17.15Application

    计算等差数列5,9,13,17,5, 9, 13, 17, \ldots的前30项之和。

  16. Ex. 17.16Application

    在等差数列中,a1=4a_1 = 4a20=80a_{20} = 80。计算S20S_{20}

  17. Ex. 17.17Application

    计算k=150(2k1)\sum_{k=1}^{50} (2k - 1)

  18. Ex. 17.18Application

    等差数列1,4,7,10,1, 4, 7, 10, \ldots多少项的总和1000\geq 1\,000

  19. Ex. 17.19Application

    计算1到100之间3的倍数之和。

  20. Ex. 17.20Application

    等差数列的前nn项之和是Sn=3n2+nS_n = 3n^2 + n。确定通项ana_n

  21. Ex. 17.21Modeling

    你第一个月储蓄50元,第二个月60元,第三个月70元,依此类推。2年(24个月)内储蓄多少?

  22. Ex. 17.22Modeling

    一个剧院有20排:第一排有25个座位,每个后续排多3个。总共多少个座位?

  23. Ex. 17.23Modeling

    在自由落体中,dn=g(2n1)/2d_n = g(2n-1)/2g9,81g \approx 9{,}81 m/s²。验证形成等差数列并计算5秒内的总距离。

  24. Ex. 17.24ModelingAnswer key

    一个时钟报时:1h敲1下,2h敲2下……,12h敲12下。12小时内敲多少下?

  25. Ex. 17.25Modeling

    初始薪水3500元/月,年增长300元。计算10年内累积总额(月薪总和)。

  26. Ex. 17.26Modeling

    建筑桩第一层0.5米,第二层1米,第三层1.5米,等等。需要多少层使总深度\geq 50米?

  27. Ex. 17.27Modeling

    月通胀:0,5%0{,}5\%0,6%0{,}6\%0,7%0{,}7\%\ldots 用等差数列线性求和计算12个月的累积通胀近似。

  28. Ex. 17.28Application

    1到1000的数字之和。使用高斯。

  29. Ex. 17.29Modeling

    第一小时50个任务;每个后续小时因疲劳减少5个。8小时内有多少个任务?

  30. Ex. 17.30ModelingAnswer key

    在每5米种一棵树的一行中,连接100棵树需要多长的围栏?

  31. Ex. 17.31Proof

    通过数学归纳法证明k=1nk=n(n+1)2\sum_{k=1}^n k = \dfrac{n(n+1)}{2}

  32. Ex. 17.32Proof

    通过数学归纳法证明如果(an)(a_n)是公差为rr的等差数列,那么an=a1+(n1)ra_n = a_1 + (n-1)\,r

  33. Ex. 17.33ChallengeAnswer key

    求一个5项的等差数列,使得a1+a5=12a_1 + a_5 = 12a2a4=30a_2 \cdot a_4 = 30

  34. Ex. 17.34ProofAnswer key

    证明在等差数列中,ap+aq=am+ana_p + a_q = a_m + a_n只要p+q=m+np + q = m + n

  35. Ex. 17.35Challenge

    使用求和公式计算1+2+3++10000001 + 2 + 3 + \ldots + 1\,000\,000

  36. Ex. 17.36Modeling

    金字塔顶部1块砖,每层增长1块直到底座。如果底座有60行,总共多少块砖?

  37. Ex. 17.37Application

    计算前100个奇数之和。

  38. Ex. 17.38Understanding

    "在任何等差数列中,差的数列an+1ana_{n+1} - a_n是常数。"真还是假?

  39. Ex. 17.39Understanding

    在有49项的有限等差数列中,中心项的位置是哪个?中心项与和S49S_{49}之间的关系是什么?

  40. Ex. 17.40ChallengeAnswer key

    在递减等差数列(r<0r < 0)中,a1>0a_1 > 0,找最大nn使得Sn>0S_n > 0。用a1a_1r|r|表示。

来源

  • OpenStax — College Algebra 2e — Jay Abramson等著 · 2022年,第2版 · 英文 · CC-BY 4.0 · §9.2(Arithmetic Sequences)、§9.4(Series and Their Notations)。练习题和例题1、3和5的主要来源。
  • Stitz–Zeager — Precalculus — Carl Stitz、Jeff Zeager著 · 2013年,v3 · 英文 · CC-BY-NC-SA · §9.1–9.2(Sequences and Summation Notation)。例题2和结构性练习的来源。
  • Hammack — Book of Proof — Richard Hammack著 · 2018年,第3版 · 英文 · 开源 · cap. 10(Mathematical Induction)。证明17.31、17.32、17.34的来源。
  • OpenStax — College Physics 2e — Paul Peter Urone等著 · 2022年 · 英文 · CC-BY 4.0 · §2.7(Falling Objects)。例题5和练习17.23的来源(自由落体)。
  • Wikilivros — Matemática elementar (Progressões aritméticas) — 活跃 · 葡萄牙语 · CC-BY-SA。等差中项和实际练习的葡语参考。

Updated on 2026-05-11 · Author(s): Clube da Matemática

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