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等差与等比数列

基础更新于 2026-09-29

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等差描述恒定的加法变化,等比描述恒定的乘法变化。

等差、等比数列的定义与基本公式

本页下标为正整数。等差数列的相邻项之差为固定常数 dd;等比数列的各项非零,相邻项之比为固定非零常数 qq。

数列 定义 第 nn 项 前 nn 项和
等差 an+1−an=da_{n+1}-a_n=d an=a1+(n−1)da_n=a_1+(n-1)d Sn=n(a1+an)/2=na1+n(n−1)d/2S_n=n(a_1+a_n)/2=na_1+n(n-1)d/2
等比 an+1/an=qa_{n+1}/a_n=q an=a1qn−1a_n=a_1q^{n-1} q≠1q\ne1 时 Sn=a1(1−qn)/(1−q)S_n=a_1(1-q^n)/(1-q);q=1q=1 时 Sn=na1S_n=na_1

等差数列允许 d=0d=0,包括全零数列。等比数列允许 q=1q=1 或负公比,但按比值定义不允许某项为零。

通项公式的推导

等差数列中,把 a2−a1=d,…,an−an−1=da_2-a_1=d,\ldots,a_n-a_{n-1}=d 相加,中间项相消,得 an−a1=(n−1)da_n-a_1=(n-1)d。

等比数列中,把 a2/a1=q,…,an/an−1=qa_2/a_1=q,\ldots,a_n/a_{n-1}=q 相乘,非零项依次约去,得 an/a1=qn−1a_n/a_1=q^{n-1}。两种公式在 n=1n=1 时也成立。

等差求和:倒序相加

将同一个和按两个方向写出:

Sn=a1+a2+⋯+an,Sn=an+an−1+⋯+a1.\begin{aligned} S_n&=a_1+a_2+\cdots+a_n,\\ S_n&=a_n+a_{n-1}+\cdots+a_1. \end{aligned}

第 kk 列两项之和为 ak+an+1−k=2a1+(n−1)d=a1+ana_k+a_{n+1-k}=2a_1+(n-1)d=a_1+a_n。共有 nn 列,故 2Sn=n(a1+an)2S_n=n(a_1+a_n)。

等比求和:错位相减

写出 Sn=a1+a1q+⋯+a1qn−1S_n=a_1+a_1q+\cdots+a_1q^{n-1} 和 qSn=a1q+⋯+a1qnqS_n=a_1q+\cdots+a_1q^n,相减得

(1−q)Sn=a1−a1qn.(1-q)S_n=a_1-a_1q^n.

q≠1q\ne1 时可除以 1−q1-q,得到表中公式。q=1q=1 时每项均为 a1a_1,直接相加得到 na1na_1;不能在分母为零时使用商式。

等差中项与等比中项

三个数 a,b,ca,b,c 成等差数列,当且仅当 2b=a+c2b=a+c。此时 bb 为 a,ca,c 的等差中项。

三个非零实数 a,b,ca,b,c 成等比数列,当且仅当 b2=acb^2=ac。因为 b/a=c/bb/a=c/b 等价于 b2=acb^2=ac。给定 a,ca,c 时,存在实等比中项须 ac>0ac>0,两个可能值为 ±ac\pm\sqrt{ac};额外限定中项为正时才只取正根。

等下标和与等距抽项

等差数列由通项立即得到:若 m+n=p+qm+n=p+q,则 am+an=ap+aqa_m+a_n=a_p+a_q;特别地 2am=am−k+am+k2a_m=a_{m-k}+a_{m+k}。以固定正整数步长 hh 抽取 ar,ar+h,ar+2h,…a_r,a_{r+h},a_{r+2h},\ldots,仍为等差,公差为 hdhd。还有 S2n−1=(2n−1)anS_{2n-1}=(2n-1)a_n,以及 Sn/n=a1+(n−1)d/2S_n/n=a_1+(n-1)d/2。

非零等比数列同理满足:m+n=p+qm+n=p+q 时 aman=apaqa_ma_n=a_pa_q;等距抽项的公比为 qhq^h。这些结论都可用通项代入验证,不能把下标和条件误改成下标积条件。

等长分组求和的退化情形

每组取连续 mm 项,记 Bj=a(j−1)m+1+⋯+ajmB_j=a_{(j-1)m+1}+\cdots+a_{jm}。等差情形中,每个对应项增加 mdmd,组内共 mm 项,所以 Bj+1−Bj=m2dB_{j+1}-B_j=m^2d。

等比情形中,对应项乘以 qmq^m,故 Bj+1=qmBjB_{j+1}=q^mB_j。只有组和非零时,才能按通常“各项非零”的定义称其为等比数列。反例:an=(−1)n−1a_n=(-1)^{n-1},每组取两项,所有组和均为零,此时相邻组和之比没有定义。

当 q=1q=1 时各组和为 ma1≠0ma_1\ne0;实公比 q≠1q\ne1 时,组和为零恰在 q=−1q=-1 且 mm 为偶数发生。

线性组合、前项和判定与两数列的比

若两等差数列 an,bna_n,b_n 的公差为 da,dbd_a,d_b,实数 u,vu,v 固定,则 uan+vbnua_n+vb_n 仍为等差数列,公差为 uda+vdbud_a+vd_b。证明只需计算相邻差:

(uan+1+vbn+1)−(uan+vbn)=uda+vdb.(ua_{n+1}+vb_{n+1})-(ua_n+vb_n)=ud_a+vd_b.

一个数列为等差数列,当且仅当存在实数 A,BA,B,使其前 nn 项和对所有正整数 nn 满足 Sn=An2+BnS_n=An^2+Bn。允许 A=B=0A=B=0。正向由求和公式得到;反向令 S0=0S_0=0,则对 n≥1n\ge1,

an=Sn−Sn−1=2An+B−A,a_n=S_n-S_{n-1}=2An+B-A,

相邻差恒为 2A2A。因此 SnS_n 可能是二次、一次函数,也可能恒为零,不能一律称为二次函数。

设两等差数列的前项和分别为 Sn,TnS_n,T_n。由首尾配对,

S2m−1=(2m−1)am,T2m−1=(2m−1)bm.S_{2m-1}=(2m-1)a_m,\qquad T_{2m-1}=(2m-1)b_m.

当 bm≠0b_m\ne0 时,T2m−1≠0T_{2m-1}\ne0,于是

ambm=S2m−1T2m−1.\frac{a_m}{b_m}=\frac{S_{2m-1}}{T_{2m-1}}.

等差数列奇数项数的和等于“项数乘中间项”;偶数项数 2m2m 时则为 S2m=m(am+am+1)S_{2m}=m(a_m+a_{m+1})。这两种形式都来自每对首尾项之和相同。

前缀和的代数结构与常用推论

等差数列的前缀和可写 Sn=An2+BnS_n=An^2+Bn,其中 A=d/2,B=a1−d/2A=d/2,B=a_1-d/2。直接展开得

Sm+n=Sm+Sn+mnd,S3m=3(S2m−Sm).S_{m+n}=S_m+S_n+mnd,\qquad S_{3m}=3(S_{2m}-S_m).

若 m≠nm\ne n 且 Sm=SnS_m=S_n,则 (m−n)[A(m+n)+B]=0(m-n)[A(m+n)+B]=0,故 Sm+n=0S_{m+n}=0。条件 m≠nm\ne n 不能删去。

若不同正整数 p,qp,q 满足 Sp=q,Sq=pS_p=q,S_q=p,则

Ap+B=qp,Aq+B=pq,Ap+B=\frac qp,\quad Aq+B=\frac pq,

相减得 A=−(p+q)/(pq)A=-(p+q)/(pq),继而 B=(p2+pq+q2)/(pq)B=(p^2+pq+q^2)/(pq),代入得到 Sp+q=−(p+q)S_{p+q}=-(p+q)。

等比数列则由后 mm 项是前 mm 项的 qnq^n 倍,得到 Sn+m=Sn+qnSmS_{n+m}=S_n+q^nS_m,无需除以 q−1q-1,所以 q=1q=1 也适用。

等差数列的前缀和何时最大

设 an=13−2na_n=13-2n,则 Sn=12n−n2S_n=12n-n^2。由 Sn−Sn−1=anS_n-S_{n-1}=a_n,a1,…,a6a_1,\ldots,a_6 为正,a7a_7 起为负,所以 S6=36S_6=36 唯一最大。也可配方 Sn=36−(n−6)2S_n=36-(n-6)^2。

若改为 an=12−2na_n=12-2n,则 a6=0a_6=0。此时 S5=S6=30S_5=S_6=30,两个下标都取得最大值。对公差为负的等差数列,正确做法是找正项、零项、负项的分界;不能只写严格条件 an>0,an+1<0a_n>0,a_{n+1}<0 而漏掉零项。若数列全部为负,且只允许 n≥1n\ge1,最大前缀和就是 S1S_1。

由两项求公比要保留符号分支

已知实等比数列 a2=6,a4=24a_2=6,a_4=24,则 q2=a4/a2=4q^2=a_4/a_2=4,所以 q=2q=2 或 q=−2q=-2。两种数列分别是 3,6,12,24,…3,6,12,24,\ldots 与 −3,6,−12,24,…-3,6,-12,24,\ldots。若另给所有项为正,才可排除负公比。

对于正项等比数列,取对数后 log⁡ban=log⁡ba1+(n−1)log⁡bq\log_b a_n=\log_b a_1+(n-1)\log_b q,成为等差数列,其中 b>0,b≠1b>0,b\ne1。如果原数列含负项,实数对数无定义,不能直接套用该转换。

例

等差数列中 a3=7,a8=22a_3=7,a_8=22,则 5d=155d=15,d=3,a1=1d=3,a_1=1,前八项和为 8(1+22)/2=928(1+22)/2=92。

等比数列前五项为 1,−2,4,−8,161,-2,4,-8,16,和为 1111。负公比导致正负交替,不能把 ∣q∣>1|q|>1 简化成“数列递增”。

易错点

ak2=ak−1ak+1a_k^2=a_{k-1}a_{k+1} 单独用于判断整列等比时需处理零项。使用几何中项 ab\sqrt{ab} 时还要考虑中项是否可能为负。

关联阅读

先修:数列、通项与前缀和。

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