推导一下 等差数列 和 等比数列 的通项公式与求和公式。


一、等差数列(Arithmetic Sequence)

设等差数列为:

a 1 , a 2 , a 3 , … , a n , … a_1, a_2, a_3, \dots, a_n, \dots a1​,a2​,a3​,…,an​,…

其中 首项为 a 1 a_1 a1​,公差为 d d d。

1. 通项公式推导

由定义:

a 2 = a 1 + d , a 3 = a 2 + d = a 1 + 2 d , … a_2 = a_1 + d,\quad a_3 = a_2 + d = a_1 + 2d,\quad \dots a2​=a1​+d,a3​=a2​+d=a1​+2d,…

推得:

a n = a 1 + ( n − 1 ) d a_n = a_1 + (n-1)d an​=a1​+(n−1)d


2. 求和公式推导

前 n n n 项和:

S n = a 1 + a 2 + a 3 + ⋯ + a n S_n = a_1 + a_2 + a_3 + \dots + a_n Sn​=a1​+a2​+a3​+⋯+an​

写两遍,一正一反:

S n = a 1 + ( a 1 + d ) + ( a 1 + 2 d ) + ⋯ + [ a 1 + ( n − 1 ) d ] S_n = a_1 + (a_1+d) + (a_1+2d) + \dots + [a_1+(n-1)d] Sn​=a1​+(a1​+d)+(a1​+2d)+⋯+[a1​+(n−1)d]

S n = [ a 1 + ( n − 1 ) d ] + [ a 1 + ( n − 2 ) d ] + ⋯ + a 1 S_n = [a_1+(n-1)d] + [a_1+(n-2)d] + \dots + a_1 Sn​=[a1​+(n−1)d]+[a1​+(n−2)d]+⋯+a1​

逐项相加:

2 S n = ( a 1 + a n ) + ( a 2 + a n − 1 ) + ⋯ + ( a n + a 1 ) 2S_n = (a_1+a_n) + (a_2+a_{n-1}) + \dots + (a_n+a_1) 2Sn​=(a1​+an​)+(a2​+an−1​)+⋯+(an​+a1​)

一共有 n n n 对:

2 S n = n ( a 1 + a n ) 2S_n = n(a_1+a_n) 2Sn​=n(a1​+an​)

S n = n ( a 1 + a n ) 2 S_n = \frac{n(a_1+a_n)}{2} Sn​=2n(a1​+an​)​

代入 a n = a 1 + ( n − 1 ) d a_n = a_1+(n-1)d an​=a1​+(n−1)d,得:

S n = n 2 [ 2 a 1 + ( n − 1 ) d ] S_n = \frac{n}{2}[2a_1 + (n-1)d] Sn​=2n​[2a1​+(n−1)d]


二、等比数列(Geometric Sequence)

设等比数列为:

a 1 , a 2 , a 3 , … , a n , … a_1, a_2, a_3, \dots, a_n, \dots a1​,a2​,a3​,…,an​,…

其中 首项为 a 1 a_1 a1​,公比为 q q q。

1. 通项公式推导

由定义:

a 2 = a 1 q , a 3 = a 2 q = a 1 q 2 , … a_2 = a_1 q,\quad a_3 = a_2 q = a_1 q^2,\quad \dots a2​=a1​q,a3​=a2​q=a1​q2,…

推得:

a n = a 1 q n − 1 a_n = a_1 q^{n-1} an​=a1​qn−1


2. 求和公式推导

前 n n n 项和:

S n = a 1 + a 1 q + a 1 q 2 + ⋯ + a 1 q n − 1 S_n = a_1 + a_1q + a_1q^2 + \dots + a_1q^{n-1} Sn​=a1​+a1​q+a1​q2+⋯+a1​qn−1

如果 q ≠ 1 q \neq 1 q=1,将等式乘以 q q q:

q S n = a 1 q + a 1 q 2 + ⋯ + a 1 q n qS_n = a_1q + a_1q^2 + \dots + a_1q^{n} qSn​=a1​q+a1​q2+⋯+a1​qn

相减:

S n − q S n = a 1 − a 1 q n S_n - qS_n = a_1 - a_1q^n Sn​−qSn​=a1​−a1​qn

S n ( 1 − q ) = a 1 ( 1 − q n ) S_n(1-q) = a_1(1-q^n) Sn​(1−q)=a1​(1−qn)

S n = a 1 ( 1 − q n ) 1 − q , ( q ≠ 1 ) S_n = \frac{a_1(1-q^n)}{1-q},\quad (q\neq 1) Sn​=1−qa1​(1−qn)​,(q=1)


3. 特殊情况(无穷等比数列)

若 ∣ q ∣ < 1 |q| < 1 ∣q∣<1,则当 n → ∞ n \to \infty n→∞:

S = lim ⁡ n → ∞ S n = a 1 1 − q S = \lim_{n\to\infty} S_n = \frac{a_1}{1-q} S=n→∞lim​Sn​=1−qa1​​


✅ 总结:

  • 等差数列:

a n = a 1 + ( n − 1 ) d , S n = n 2 ( a 1 + a n ) = n 2 [ 2 a 1 + ( n − 1 ) d ] a_n = a_1+(n-1)d,\quad S_n=\frac{n}{2}(a_1+a_n)=\frac{n}{2}[2a_1+(n-1)d] an​=a1​+(n−1)d,Sn​=2n​(a1​+an​)=2n​[2a1​+(n−1)d]

  • 等比数列:

a n = a 1 q n − 1 , S n = a 1 ( 1 − q n ) 1 − q   ( q ≠ 1 ) , S ∞ = a 1 1 − q   ( ∣ q ∣ < 1 ) a_n = a_1 q^{n-1},\quad S_n=\frac{a_1(1-q^n)}{1-q}\ (q\neq 1),\quad S_\infty=\frac{a_1}{1-q}\ (|q|<1) an​=a1​qn−1,Sn​=1−qa1​(1−qn)​ (q=1),S∞​=1−qa1​​ (∣q∣<1)


要不要我帮你画一张 公式推导的逻辑图(像思维导图那样)?

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