自我評量
等差級數的和
在下水道工程的工地旁放著一堆水管(如圖 1-2 )
,翰翰想知道這堆水管共有多少根。
第一層 3 根 第一層 4 根 第一層 5 根 第一層 6 根 第一層 7 根 第一層 8 根
我們將圖 1-2 上下顛倒成為圖 1-3 ,再 將圖 1-2 、圖 1-3 拼成圖 1-4 。
圖 1-3 圖 1-4
圖 1-4 共有 6 列,每列都有 11 根水管,
總共有 6× 11 根水管,而這恰好是圖 1-2 的兩倍
,所以圖 1-2 中的水管共有 = 33 根。
2 11
6
被譽為「數學王子」的德國數學家
高斯( Carl Friedrich Gauss , 1777-1855 ),小
時候就用過類似的方法。據說,在高斯十歲那
年,有一天老師要求全班同學計算出 1 + 2 +
3 + 4 + 5 + ⋯⋯ + 98 + 99 + 100 的和。當老
師將題目寫完後不久,高斯就在他的小石板上
寫出 5050 ,並舉手告訴老師這個答案。你知道
高斯是怎麼算出來的嗎?
要計算 1 + 2 + 3 + + ⋯ ⋯ 98 + 99 + 100 的和,我們可以先假設
S = 1 + 2 + 3 +
⋯⋯ + 98 + 99 + 100 , 同樣地,我們也可以寫成
S = 100 + 99 + 98 +
⋯⋯ + 3 + 2 + 1 。 將兩式相加可得:
101 101
101 ...
101 101
101 2
1 2
3 ...
98 99
100
100 99
98 ...
3 2
1
SS S
+ )
所以 2S = 101 × 100
S = = 5050
2
101 100
刻苦勤學的高斯
高斯出生於一個貧苦的家庭,他的父 親從事園藝、建築等粗工。就像許多貧困的人 們一樣,高斯的父親希望他長大後趕快賺錢,
以便改善家庭經濟,因此從不鼓勵他學習高深
的學問。
高斯從小就極為勤學,由於在校中的 優異表現,高斯獲得學校老師的推薦,及費迪南 公爵 ( Carl Wilheim Ferdinand ) 經濟上的資助,
於 1795 年進入哥庭根大學( Gottingen Universit y )學習, 1798 年轉入黑爾姆斯泰特大學( He lmstedt University ),並完成《算術研究》一書
( 1801 年出版), 1799 年獲得博士學位。
高斯精通數種語言,在數學、天文學
、電磁學、大地測量等領域都有相當重要的成就。
德國人為了紀念這一位傑出的數學家,在紙幣上 印有高斯的肖像,並發行過以高斯為主題的郵票
。
將一個數列的各項用「+」號連接,
所成的式子稱為級數 。例如, 2, 4, 5, 7, 9 就是 一個數列, 2 + 4 + 5 + 7 + 9 就是一個級數。
又如, 2, 5, 8, 11, 14 是一個等差數列, 2 + 5
+ 8 + 11 + 14 就是一個 等差級數。
一個級數中所有的項形成一個等差數列時,
這個級數就稱為等差級數。即,當 a
1, a2, a3,⋯⋯ a, n
為等差數列時,則 a
1+ a
2+ a
3+ ⋯⋯
+ a
n為等差級數。
在高斯計算 1 + 2 + 3 + 4 + 5 + ⋯⋯ + 98
+ 99 + 100 = 5050 的式子中, 1 + 2 + 3 + 4
+ 5 + ⋯⋯ + 98 + 99 + 100 是一個等差級數, 5 050 是這個級數的和。
仿照高斯的作法,我們也能求出任何等
差級數的和。
1
求等差級數的和
試仿照高斯的作法,求下列各等差級數的和:
(1) 3 + 5 + 7 + 9 + 11
(2) (- 9 )+(- 5 )+(- 1 )+ 3 + 7 +
11
解解
(1) 設 S = 3 + 5 + 7 + 9 + 11
14 14
14 14
14 2
3 5
7 9
11
11 9
7 5
3
SS S
+ )
所以 2S = 14 × 5
S
= = 35
因此 3 + 5 + 7 + 9 + 11 = 35 2 5
14
(2) 設 S = ( - 9) + ( - 5) + ( - 1) + 3 + 7 + 11
2 2
2 2
2 2
2
) 9 (
) 5 (
) 1 ( 3
7 11
11 7
3 )
1 ( )
5 (
) 9 (
S SS
+ )
所以 S = = 6
因此 ( - 9) + ( - 5) + ( - 1) + 3 + 7 + 11 = 6
2 6
2
試仿照高斯的作法,求下列各等差級數的和:
(1) 98 + 85 + 72 + 59 + 46 + 33
131 131
131 131
131 131
2
98 85
72 59
46 33
33 46
59 72
85 98
SS
設 S = 98 + 85 + 72 + 59 + 46 + 33
S所以 2S = 131 × 6
S = 393+ )
(2) 52 + 68 + 84 + 100 + 116 + 132 + 148
200 200
200 200
200 200
200 2
52 68
84 100
116 132
148
148 132
116 100
84 68
52
SS S
+ )
設 S = 52 + 68 + 84 + 100 + 116 + 132 + 148
所以 2S = 200 × 7
S = 700最深奧的數學研究的全部結果,最終都一定可以 表示成整數性質的簡單形式。
—— 克羅涅克( Leopold Kronecker , 1823-1891 )
接下來,我們要仿照高斯的作法,推 導出等差級數求和的公式。
設一個等差級數共有 5 項,首項為 a
,公差為 d ,末項為 b ,則此等差級數的和為
S5= a +( a + d )+( a + 2d )+( a + 3
d )+( a+ 4d )…… ..
換個角度想,我們可將此等差級數看 成首項為 b ,公差為- d ,末項為 a ,則此等 差級數的和為
S5
= b +〔 b +(- d )〕+〔 b + 2 (-
d )〕+
〔 b + 3 (- d )〕+〔 b + 4 (-
d )〕
= b +( b - d )+( b - 2d )+
( b - 3d )+
( b - 4d )…… .
式加式可得
) (
) (
) (
) (
) (
2 ( ) ( 2 ) ( 3 ) ( 4 ) ) 4 (
) 3 (
) 2 (
) (
5 5 5
b a
b a
b a
b a
b a
S b b d b d b d b d S
d a
d a
d a
d a
a S
+ )
共有 5 個 (a + b) 所以 2S
5= 5 ( a +
b )
S5
= 5 (
a2
b)
若一個等差級數的首項為 a
1,公差為
d ,前 n 項的和為 Sn,依上面的作法可得
) (
) (
....
) (
) (
) (
2
) 1 (
) 2 (
....
) 2 (
) (
) 1 (
) 2 (
....
) 2 (
) (
1 1
1 1
1
1 1
1 1
1
n n
n n
n n
n n
n n
n n
n
a a
a a
a a
a a
a a
S
d n
a d
n a
d a
d a
a S
d n
a d
n a
d a
d a
a S
+ )
共有 n 個 (a
1+ a
n)
等差級數的和=
。 所以 2S
n=( a
1+
an)
Sn
=
2 ) (
a1 an n
2 末項 ) ( 首項
項數
2
利用公式 S
n=
試利用等差級數和的公式,求等差級數 5 + 8 + 求和 11
+ 14 + 17 + 20 的和。
解解
2 ) (a1 an n
首項 a
1= 5 ,項數 n = 6 ,末項 a
6= 20 。 由公式 S
n= 得
S
6= = 75 即 5 + 8 + 11 + 14 + 17 + 20 = 75
2 ) (
a1 an n
2 20 ) 5
(
6
試利用等差級數和的公式,求等差級數 23 + 27
+ 31 + 35 + 39 + 43 + 47 的和。
a1
= 23 , n = 7 , a
n= 47 ,代入公式 S
n= 得
S7
= = 245
2 ) (
a1 an n 2
) 47 23
(
7
3 先求 n ,再代入公式 Sn = 求和
已知等差級數 41 + 38 + 35 + ⋯⋯ + 5 ,求其項 數與和。
2 ) (a1 an n
配合習作基礎題 1 、 2
解解
首項 a
1= 41 ,末項 a
n= 5 , 公差 d = 38 - 41 =- 3 。
由 1-1 節知 a
n= a
1+( n - 1 ) d ,得 5 = 41 +( n - 1 ) × (-
3 )
n = 13
因此 S
13= = 299 即 41 + 38 + 35 + ⋯⋯ + 5 = 299
2 5 ) 41
(
13
1. 求等差級數 2 + 6 + 10 ⋯⋯ + + 42 的和。
a1
= 2 , d = 4 , a
n= 42 ,
代入公式 a
n= a
1+( n - 1 ) d 得 42 = 2 +( n - 1 ) × 4
42 = 2 + 4n - 4
n = 11代入公式 S
n= 得 S
11= = 242
2 ) (
a1 an n
2 42 ) 2
(
11
2. 求等差級數 5 + 1 +(- 3 )+ +(- ⋯⋯
39 )的
a1
= 5 , d =- 4 , a 和。
n=- 39 ,
代入公式 a
n= a
1+( n - 1 ) d 得
- 39 = 5 +( n - 1 ) × (- 4 )
- 39 = 5 - 4n + 4
n= 12
代入公式 S
n= 得 S
12= =- 204
2 ) (
a1 an n
2
) 39 (
5
12
4
代入公式求項數與公差
設一等差級數的首項是 29 ,末項是- 22 ,和
是 63 ,求其項數與公差。
配合習作基礎題 3 、 4解解
設項數為 n ,公差為 d 。
由公式 S
n= 得 63 = 7n = 126
n = 18
又- 22 = 29 +( 18 - 1 ) d 17d =- 51
d =- 3
an
= a
1+ (n - 1) d 2 )
(
a1 an n
2
) 22 (
29
n
設一等差級數的首項是- 5 ,末項是 135 ,和
是 1365 ,求其項數與公差。
a1
=- 5 , a
n= 135 , S
n= 1365 , 代入公式 S
n= 得
1365 =
n = 21代入公式 a
n= a
1+( n - 1 ) d 得 135 =(- 5 )+( 21 - 1 ) d
135 =- 5 + 20d
d = 72 ) (
a1 an n 2
135 )
5
(
n
由 1-1 節我們知道 a
n= a
1+( n - 1 ) d ,代入
公式 S
n= 得
S
n = =因此,在不知道末項 a
n的情形下,我們也可以 直接由首項 a
1、公差 d 與項數 n 求出等差級數 的和。
2 ) (
a1 an n
2
) 1 (
1
1
a
a
n
dn
2
) 1 (
2
1
a
n
dn
5
利用公式 S
n= 求和
設一等差級數的首項為 3 ,公差為- 2 ,求此等 差級數前 12 項的和。
2
) 1 (
1
2
a n d
n
解解
首項 a
1= 3 ,公差 d =- 2 ,項數 n = 12
。
由公式 S
n= 得
S12
=
=- 96
故前 12 項的和為- 96 。 2
) 2 ( ) 1 12 ( 3 2
12
2
) 1 (
2
1
a
n
dn
配合習作基礎題 5
設一等差級數的首項為 7 ,公差為 3 ,求此等差 級數前 20 項的和。
a1
= 7 , d = 3 , n = 20 ,
代入公式 S
n= 得
S
20= = = 710
2
) 1 (
2
1
a
n
dn
2
3 ) 1 20 ( 7 2
20
2
57 14
20
6
代入公式求項數
設等差級數- 2 + 2 + 6 + ⋯⋯ 前
n 項的和為 126 ,求
n 。
解一解一
首項 a
1=- 2 ,公差 d = 2 -(- 2 )=
4 。
第 n 項 a
n=(- 2 )+( n - 1 ) × 4 = 4n - 6
由公式 S
n= 得 126 = 126 =
4n
2- 8n - 252 = 0
n2- 2n - 63 = 0
( n - 9 )( n + 7 )= 0
n - 9 = 0 或 n + 7 = 0n = 9 或 n =- 7 (不合)
2 ) (
a1 an n
2
) 6 4
( ) 2
(
n
n
2 8 )
4
(
n
n解二解二
首項 a
1=- 2 ,公差 d = 2 -(- 2 )=
4 。
由公式 S
n= 得 126 =
4n
2- 8n - 252 = 0
n2- 2n - 63 = 0
( n - 9 )( n + 7 )= 0
n - 9 = 0 或 n + 7 = 0n = 9 或 n =- 7 (不合)
2
) 1 (
2a1 n d
n
2
4 ) 1 (
) 2 (
2
n
n
1. 等差級數 1 + 5 + 9 + ⋯⋯ 前
n 項的和為 153,求 n 。
a1
= 1 , d = 4 , S
n= 153 ,
代入公式 S
n= 得 153 =
n ( 2n - 1 )= 153 , 2n2
- n - 153 = 0 ,
( n - 9 )( 2n + 17 )= 0 , n = 9 或-
( 不合 )
2 ( 1 ) 2
a1 n dn
2
4 ) 1 (
1
2
n
n
17 2
2. 等差級數(- 76 )+(- 68 )+(- 60 )
+ ⋯⋯
前 n 項的和為- 384 ,求 n 。
a1
=- 76 , d = 8 , S
n=- 384 ,
代入公式 S
n= 得
- 384 =
n
( 4n - 80 )=- 384 , n
2- 20n + 96 = 0 ,
( n - 8 )( n - 12 )= 0 , n = 8 或 12
2 ( 1 ) 2
a1 n dn
2
8 ) 1 (
) 76 (
2
n
n
7
等差級數的應用
一直昇機空拋救災物資,第 1 秒落 下 4.9 公尺,以後落下的距離每秒增 加 9.8 公尺(即第 2 秒落下 4.9 + 9.
8 = 14.7 公尺,第 3 秒落下 4.9 + 9.8 + 9.8 = 24.5 公尺)。如果救災 物資空拋 6 秒後剛好到達地面,求 當時直昇機離地面的高度。
第
1 秒
第
2 秒
第
3 秒
4.9公 尺
14.7公 尺
24.5公 尺
解解
第 6 秒落下的距離為
4.9 +( 6 - 1 ) × 9.8 = 53.9 (公尺)
所以救災物資每秒落下的距離依次為
4.9 公尺、 14.7 公尺、 24.5 公尺、 、⋯ ⋯ 53.9 公 尺,
其和為 S
6= = 176.4
(公尺)
所以直昇機離地面的高度為 176.4 公尺。
2 53 . 9 ) 9
. 4 (
6
1. 甲向乙借款,約定分二十年償還,第一年還 1 0
萬元,第二年還 14 萬元,第三年還 18 萬元,
⋯⋯ ,各年度償還的金額成等差數列。請問 這二十年甲共付給乙多少元?
a1
= 10 , d = 4 , n = 20 ,
代入公式 S
n= 得
S20= = 960 (萬元)
2
) 1 (
2
a1 n dn
2
4 ) 1 20 ( 10 2
20
n = 31 + 30 + 31 + 30 = 122
a1
= 15 , d = 2 ,代入公式 S
n= 得
S122
=
= 16592 (元)
2
) 1 (
2
1
a
n
dn
2
2 ) 1 122 (
15 2
122
2. 奈美計畫暑假到國外旅遊,從三月一日開始,
第一天存款 15 元,第二天存款 17 元,第三天 存款 19 元, ⋯⋯ ,每天的存款數成等差數列。
請問到六月三十日奈美總共存款多少元?
1. 級數:將一個數列的各項用「+」號連接,
所成的式子稱為級數。
2. 等差級數:一個級數中所有的項形成一個等 差數列時,這個級數就稱為等差級數。即
,
當 a
1, a
2, a
3, , ⋯ ⋯ a
n 為等差數列時, a1+
a2+ a
3
+ ⋯⋯ +
an為等差級數。
3. 等差級數求和公式:
(1) 如果一個等差級數的首項為 a
1,末項為 a
n,則此等差級數前 n 項的和為
Sn
= 。即,等差級數的和=
。 2 )
(
a1 an n
2 末項 ) ( 首項
項數
(2) 將 a
n= a
1+( n - 1 ) d 代入等差級數和 的公
式 S
n= 得 S
n=
2 ) (
a1 an n
2
) 1 (
2
1
a
n
dn
1-2 自我評量 1. 求下列各等差級數的和:
(1) 1 + 2 + 3 + ⋯⋯ + 70
a1
= 1 , d = 1 , a
n= 70 ∴ n = 70
代入公式 S
n= 得 S
70= = 2485
n(
a12
an)
2 70 ) 1
(
70
(2) 8 + 11 + 14 ⋯⋯ + + 278
a1
= 8 , d = 3 , a
n= 278 ,
代入公式 a
n= a
1+( n - 1 ) d 得 278 = 8 +( n - 1 ) ×3
n = 91
代入公式 S
n= 得 S
91= = 13013
2 ) (
a1 an n
2 278 ) 8
(
91
(3) (- 99 )+(- 97 )+(- 95 )+ + ⋯⋯
(- 1 )
a1
=- 99 , d = 2 , a
n=- 1 , 代入公式 a
n= a
1+( n - 1 ) d 得 - 1 =(- 99 )+( n - 1 ) × 2
n = 50代入公式 S
n= 得 S
50=
=- 2500 2 )
(
a1 an n
2
) 1 ( ) 99 (
50
(4) 74 + 67 + 60 ⋯ ⋯ + +(- 10 )
a1= 74 , d =- 7 , a
n=- 10 , 代入公式 a
n= a
1+( n - 1 ) d 得
- 10 = 74 +( n - 1 ) × (- 7 )
n = 13代入公式 S
n=
得 S
13= = 416 2
) (
a1 an n
2
) 10 (
74
13
(5) 1.2 + 1.5 + 1.8 ⋯⋯ + + 5.4
a1
= 1.2 , d = 0.3 , a
n= 5.4 , 代入公式 a
n= a
1+( n - 1 ) d 得 5.4 = 1.2 +( n - 1 ) ×0.3
n = 15
代入公式 S
n= 得 S
15= = 49.5
2 ) (
a1 an n
2 2 5 . 4 ) .
1 (
15
2. 設一等差級數的首項為- 8 ,公差為 3 ,求 這個
等差級數前 16 項的和。
a1
=- 8 , d = 3 , n = 16 ,
代入公式 S
n= 得
S16
= = 232 (元)
2
) 1 (
2
1
a
n
dn
2
3 ) 1 16 ( ) 8 ( 2
16
3. 設一等差級數的首項為 5 ,末項為 138 ,和 為
1430 ,求這個等差級數的項數與公差。
a1
= 5 , a
n= 138 , S
n= 1430 , 代入公式 S
n= 得 1430 = , n = 20
代入公式 a
n= a
1+( n - 1 ) d 得 138 = 5 +( 20 - 1 ) d , d = 7
2 ) (
a1 an n 2 138 )
5
(
n4. 求 1 至 1000 的整數中,所有 3 的倍數的和
。
a1
= 3 , d = 3 , a
n= 999 ,
代入公式 a
n= a
1+( n - 1 ) d 得 999 = 3 +( n - 1 ) ×3 , n = 333 代入公式 S
n= 得
S333
= = 166833 2 )
(
a1 an n 2 999 ) 3
(
333
5. 等差級數 15 + 18 + 21 + ⋯⋯ 前
n 項的和為600 ,
求 n 。
a1
= 15 , d = 3 , S
n= 600 ,
代入公式 S
n= 得 600 =
1200 = n ( 3n + 27 ), n
2+ 9n - 400 = 0
,
( n - 16 )( n + 25 )= 0 , n = 16 或-
25 ( 不合 )
2
) 1 (
2
1
a
n
dn
2
3 ) 1 (
15
2
n
n
6. 設一等差級數的第 4 項為 15 ,第 7 項為 27 , 和為
903 ,求這個等差級數的首項、公差與項數。
式-
式得 3d = 12 , d = 4 代入式得 a
1= 3
代入公式 S
n= 得 90 3 =
2n
2+ n - 903 = 0 ,( n - 21 )( 2n + 43 )= 0 ,
n
= 21 或- (不合)
2
) 1 (
2
1
a
n
dn
2
4 ) 1 (
3
2
n
n
...
27 6
...
15 3
1 1
d a
d a
43 2
7. 全民戲院共有 25 排座位,自第二排起,每一 排
比前一排多 2 個座位。已知最後一排有 80 個座
位,問全民戲院共有多少個座位?
a1= 80 , d =- 2 , n = 25 ,
代入公式 S
n= 得
S25=
= 1400 ( 個 )
2
) 1 (
2
1
a
n
dn
2
) 2 ( ) 1 25 ( 80 2
25
8 .
圖一 圖二 圖三 圖 n
上方各圖是由火柴棒排成的正方形所組成,
圖一有 1 個正方形,圖二有 2 個正方形, ⋯⋯
,圖 n 有 n 個正方形。若圖一至圖 n 共用去 2
86 根火柴棒,試問圖 n 用了幾根火柴棒?
a1
= 4 , d = 3 , S
n= 286 ,
代入公式 S
n= 得 286 =
3n
2+ 5n - 572 = 0 ,( n - 13 )( 3n + 4 4 )= 0 ,
n = 13 或- (不合)
代入公式 a
n= a
1+( n - 1 ) d 得
a13= 4 +( 13 - 1 ) × 3 = 40 ( 根 )
2 ( 1 ) 2
a1 n dn
2
3 ) 1 (
4
2
n
n
44 3
費氏數列( Fibonacci Sequence )
在本章開頭,課文中提出了一個有規
律的數列 2, 3, 5, 8, 13, 21, ⋯⋯ ,其中蘊含的規
律在數學上有特殊的意義,曾經有許多數學家
致力探討。
義大利數學家費波那契( Leonardo Pis ano Fibonacci , 1170-1250 ),在他所著的《算 經》( Liber Abaci )中,提出一個有趣的問題
:「某人將一對成年的兔子(雌雄各一)養在一
個足夠大的封閉圍籬內,在理想的狀況下,一年
後圍籬內有多少對兔子呢?」
問題中假設每對成兔每個月的月初都 生一對小兔子,而小兔子經過一個月就能完全 長成。那麼第一個月有 1 + 1 = 2 對兔子;第 二個月小兔子長成,而原來的成兔又生了一對 小兔子,因此第二個月共有 2 + 1 = 3 對兔子
;第三個月已有兩對成兔,各生一對小兔子,
而上個月生下的小兔子則在這個月長成,因此
第三個月有 3 + 2 = 5 對兔子; ⋯ ⋯
一年內各個月兔子的對數如下表:
月數 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 兔子對數 2 3 5 8 13 21 34 55 89 144 233 377