我们知道,等差数列的前$n$项和具有$S_n=an^2+bn$的形式,其中$a=\dfrac d2$是公差的一半.于是对于一个等差数列来说,我们就可以根据这个形式,再结合首项直接写出和式.比如和式$$1+5+9+\cdots+(4n-3),$$这是一个公差为$4$的等差数列的前$n$项和,所以具有$2n^2+bn$的形式,当$n=1$时,$2n^2=2$,所以$b=-1$,即$$1+5+9+\cdots+(4n-3)=2n^2-n.$$具体求和中,我们需要注意和式是否为前$n$项和,有时需要补项或者去项.为了方便,本文中所有的$n$都是使得和式有意义的整数$n$,不再作特别说明.
例题一 求$A=7+10+13+\cdots+(3n-2)$和$B=19+17+15+\cdots+(11-2n)$的值.
分析与解 $A$不是数列$\{3n-2\}$的前$n$项和,我们给它补上$1+4$后就变成前$n$项和了.利用首项知$$1+4+7+\cdots+(3n-2)=\dfrac 32n^2-\dfrac 12n,$$于是$A=\dfrac 32n^2-\dfrac 12n-5$.
数列$\{11-2n\}$的前$n$项和为$$9+7+\cdots+(11-2n)=-n^2+10n,$$于是$B=-n^2+10n+75$.
例题二 已知$a_n=2n-13$,求$\{|a_n|\}$的前$n$项和$T_n$.
分析与解 数列$\{a_n\}$的前六项为负,从第七项起为正,记数列$\{a_n\}$的前$n$项和为$S_n$,利用和式形式与首项知$S_n=n^2-12n$.
当$n\leqslant 6$时,$|a_n|=-a_n$,于是$$T_n=-S_n=-n^2+12n.$$
当$n\geqslant 7$时,$T_n=S_n+2T_6$.于是$$T_n=n^2-12n+72.$$
对于等比数列的求和,也可以采取同样的方式,等比数列的前$n$项和一定具有形式$a(1-q^n)$($q<1$)或$a(q^n-1)$($q>1$)(为了方便计算,我们根据$q$的大小采用不同的和的形式),再通过首项校正得到$a$的值.如求$$\dfrac 12+1+2+\cdots+2^{n-2},$$它一定具有$a(2^n-1)$的形式,由首项知$a=\dfrac 12$,即$$\dfrac 12+1+2+\cdots+2^{n-2}=\dfrac 12(2^n-1).$$再比如$$1+\dfrac 13+\dfrac 19+\cdots+\left(\dfrac 13\right )^n=1+\dfrac 12\left[1-\left(\dfrac 13\right )^n\right ].$$
最后给出两道练习,大家可以心算下列和式:
(1)$A=3+7+11+\cdots+(4n-5)$;
(2)$B=\left(\dfrac 32\right )^2+\left(\dfrac 32\right )^3+\cdots+\left(\dfrac 32\right )^n$.
答案 (1)$A=2n^2-3n+1$;
(2)$B=3\left[\left(\dfrac 32\right )^n-1\right ]-\dfrac 32$.
注 本文是通过记住等差数列与等比数列的前$n$项和的形式,结合首项校正得到的和式,有了这个方法,等差等比数列的求和就可以直接写出结果,省去了稿纸,而且这也会让我们对于和式本身的形式更敏感,如数列的前$n$项和$S_n=n^2+n-1$,则该数列一定不是一个等差数列.