等差数列的求和公式推导过程如下:
定义与通项公式
等差数列是指从第二项起,每一项与它的前一项的差等于同一个常数的一种数列,这个常数叫做等差数列的公差,记作 \( d \)。
等差数列的通项公式为:\[ a_n = a_1 + (n-1)d \]
前n项和公式
设等差数列的首项为 \( a_1 \),末项为 \( a_n \),项数为 \( n \),公差为 \( d \),前 \( n \) 项和为 \( S_n \)。
根据等差数列的定义,可以写出前 \( n \) 项和的另一种形式:
\[ S_n = a_1 + a_2 + a_3 + \cdots + a_n \]
倒序相加法
将前 \( n \) 项和 \( S_n \) 倒序写出:
\[ S_n = a_n + a_{n-1} + \cdots + a_2 + a_1 \]
将正序和倒序的和相加:
\[ 2S_n = (a_1 + a_n) + (a_2 + a_{n-1}) + \cdots + (a_n + a_1) \]
每一对括号内的和都等于 \( a_1 + a_n \),共有 \( n \) 对:
\[ 2S_n = n(a_1 + a_n) \]
求和公式
将上式两边同时除以 2,得到前 \( n \) 项和 \( S_n \) 的公式:
\[ S_n = \frac{n(a_1 + a_n)}{2} \]
另一种形式
也可以利用通项公式 \( a_n = a_1 + (n-1)d \) 将 \( a_n \) 表达为 \( a_1 \) 和 \( d \) 的函数:
\[ S_n = \frac{n[2a_1 + (n-1)d]}{2} \]
展开并整理得到:
\[ S_n = na_1 + \frac{n(n-1)d}{2} \]
综上所述,等差数列的前 \( n \) 项和公式为:
\[ S_n = \frac{n(a_1 + a_n)}{2} \]
或
\[ S_n = na_1 + \frac{n(n-1)d}{2} \]
这两个公式都可以用来计算等差数列的前 \( n \) 项和,选择哪个公式可以根据具体情况和个人习惯。