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3.2 $S_n$与$a_n$的关系

数列的概念、通项公式及前n项和 · 高二
讲清楚它是什么

定义 已知数列前 $n$ 项和 $S_n$,求通项 $a_n$ 的公式:$a_n = S_n - S_{n-1} (n \ge 2)$,且需单独验证 $n=1$。

从哪来 本节为高二数列章节起点,无前置知识点依赖,直接基于“数列”与“求和”的基本概念建立。

为什么 数列 $\{a_n\}$ 的第 $n$ 项 $a_n$ 本质上是前 $n$ 项和 $S_n$ 与前 $n-1$ 项和 $S_{n-1}$ 的“增量”。 因为 $S_n = a_1 + a_2 + \dots + a_{n-1} + a_n$,而 $S_{n-1} = a_1 + a_2 + \dots + a_{n-1}$,两式相减自然得到 $a_n = S_n - S_{n-1}$。 核心逻辑:$S_n$ 是累积量,$a_n$ 是瞬时量(或增量)。从累积量还原瞬时量,必须做差。 关键约束:当 $n=1$ 时,$S_{n-1} = S_0$ 在常规定义中不存在(或定义为0),因此公式 $a_n = S_n - S_{n-1}$ 仅在 $n \ge 2$ 时成立。$a_1$ 必须直接由 $S_1$ 给出。这是该知识点最本质的数学逻辑,也是所有易错点的根源。

适合类型
逻辑严密、喜欢推导原理的学生。 讲解策略: 1. 代数推导:在黑板上写出 $S_n$ 和 $S_{n-1}$ 的展开式,逐项对齐,直观展示相减后只剩下 $a_n$。 2. 强调定义域:用集合语言指出公式 $a_n = S_n - S_{n-1}$ 的定义域是 $\{n \in \mathbb{N}^* | n \ge 2\}$。 3. 反例警示:故意写一个 $n=1$ 时 $S_1 - S_0$ 的式子,问学生 $S_0$ 是什么?引导学生意识到 $S_0$ 未定义,从而确立“分段讨论”的必要性。
适合类型
形象思维强、对抽象符号不敏感的学生。 讲解策略: 1. 生活类比:把 $S_n$ 比作“银行余额”,$a_n$ 比作“第 $n$ 天的存入/取出金额”。 * 问:想知道第 5 天存了多少钱,需要知道什么? * 答:需要知道第 5 天结束时的余额($S_5$)和第 4 天结束时的余额($S_4$)。 * 公式:第 5 天存入 = $S_5 - S_4$。 2. 边界情况:问:想知道第 1 天存了多少钱,需要知道第 0 天的余额吗? * 答:不需要,第 1 天的余额就是 $S_1$,因为之前没存过钱($S_0=0$,但通常不讨论)。 * 结论:第 1 天直接看 $S_1$,第 2 天及以后用“当前余额 - 上一天余额”。
适合类型
刷题多、容易粗心、需要程序化步骤的学生。 讲解策略: 1. 口诀记忆:给出固定解题流程口诀——“先写差,再验一,最后合”。 2. 程序化步骤: * Step 1: 写出 $a_n = S_n - S_{n-1}$(标注 $n \ge 2$)。 * Step 2: 计算 $a_1 = S_1$。 * Step 3: 关键一步:将 $n=1$ 代入 Step 1 得到的通项公式中,看结果是否等于 Step 2 的 $a_1$。 * Step 4: 若相等,合并为一个公式;若不等,写成分段函数。 3. 肌肉记忆:要求学生在草稿纸上必须画出大括号分段符号,强制自己进行验证。
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练一道
基础题
已知数列 $\{a_n\}$ 的前 $n$ 项和 $S_n = n^2 + 2n$,求通项公式 $a_n$。
变式
已知数列 $\{a_n\}$ 的前 $n$ 项和 $S_n = 2^n + 1$,求通项公式 $a_n$。
看解答过程
1. 当 $n=1$ 时: $a_1 = S_1 = 1^2 + 2 \times 1 = 3$。 2. 当 $n \ge 2$ 时: $a_n = S_n - S_{n-1}$ $= (n^2 + 2n) - [(n-1)^2 + 2(n-1)]$ $= n^2 + 2n - (n^2 - 2n + 1 + 2n - 2)$ $= n^2 + 2n - (n^2 - 1)$ $= n^2 + 2n - n^2 + 1$ $= 2n + 1$。 3. 验证 $n=1$: 将 $n=1$ 代入 $a_n = 2n + 1$,得 $2(1) + 1 = 3$。 因为 $3 = a_1$,所以 $n=1$ 时也满足该式。 4. 结论: $a_n = 2n + 1$ ($n \in \mathbb{N}^*$)。
试试手自己判
检测题
已知数列 $\{a_n\}$ 的前 $n$ 项和 $S_n = 3^n - 2$,求 $a_2$ 的值,并写出通项公式 $a_n$。
看答案和判分标准
答案:$a_2 = 6$; $a_n = \begin{cases} 1, & n=1 \\ 2 \cdot 3^{n-1}, & n \ge 2 \end{cases}$
判对标准:
1. $a_2$ 的值:必须正确计算出 $a_2 = S_2 - S_1 = (9-2) - (3-2) = 7 - 1 = 6$。若直接代入 $n=2$ 到某个未验证的公式中得出错误值,判错。
2. 通项公式结构:必须写成分段函数形式。
* 若写成 $a_n = 2 \cdot 3^{n-1}$ 且未注明 $n \ge 2$,判错。
* 若写成 $a_n = 3^n - 3^{n-1}$ 且未处理 $n=1$,判错。
* 必须明确 $n=1$ 时 $a_1 = 1$,且 $n \ge 2$ 时 $a_n = 2 \cdot 3^{n-1}$。
3. 逻辑完整性:
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