计算与数列 · 方法讲解

裂项相消法

把长和拆成差,留下没有搭档的首尾。

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01

先拆开,再看谁有搭档

观察六项和:1/(1×5)+1/(3×7)+1/(5×9)+1/(7×11)+1/(9×13)+1/(11×15)。每项两个因子相差4,相邻项前一个因子增加2。

第 1 步:观察原式

六项原式:1/(1×5) + 1/(3×7) + 1/(5×9) + 1/(7×11) + 1/(9×13) + 1/(11×15)。

同一项因子差 4;相邻项的第一个因子增加 2。预测:要向后几项找搭档?

演示结论

58/195

配对后,首尾各留两项。

差为4,系数是1/4。

步长为2,搭档相隔两项。展开首尾后再判断,不能一律只留第一项与最后一项。

02

学习准备

先拆成差,再寻找对应

长长的和,不必一路通分。把每一项改写成两个数的差,找出正负项的对应,最后只计算没有搭档的边界项。

系数匹配步长与跨度首尾保留

A/S 是本项目的教学深度编排,不代表地区或机构官方课纲。分数四则熟练后可学习本页。

学习目标

  • 由通分反推裂项式,正确补上系数。
  • 分清分母的数值差与序列前进的步长。
  • 展开首尾,逐一说明哪些项相消、哪些项留下。
  • 遇到短和或无法对齐时,停止套用口诀。

必要前置

分数通分、约分,乘法分配律,以及减去一个括号时各项符号的变化。

“相消”指加法中的一正一负互为相反数,相加为零;不是把加号两边的分母直接约掉。

03

裂项为什么成立?

先把两个倒数通分。设 a 和 a+d 都不为 0,且 d ≠ 0:

1a − 1(a+d) = (a+d)−aa(a+d) = da(a+d)

因此,把上式两边都除以 d,得到:

1a(a+d) = 1d ×(1a − 1(a+d))

这里 d 是同一项的两个分母因子之差。若分子为 c,则外面的系数改为 c/d。例如 64×7 = 2 ×(14 − 17)。反向通分即可验证,不必背一般偏分式理论。

拆得开,不等于消得掉

要让长和变短,还需要某项拆出的负数,恰好在后面的某项中作为正数出现。比如 1/[k(k+2)] 拆成 1/2 × (1/k − 1/(k+2)),负项要向后找两项,不是找紧挨着的下一项。

先问两个不同的问题

① 同一项两个因子相差多少?这决定外部系数。
② 相邻项的第一个因子增加多少?这决定向后隔几项才能配对。

适用边界:口诀有条件

若第一个因子依次为 a、a+h、a+2h……,且 d = mh,其中 h > 0、m 为正整数,那么负项与向后第 m 项的正项对应。共有 n 项且 n ≥ m 时,通常写作“首尾各留 m 项”;n = m 时实际没有中间项可消。

n < m 时不能硬留首尾各 m 项,要直接展开原有 n 项。若 d/h 不是整数,正负倒数通常不能按这条等间隔链配对。例如 1/(1×4)+1/(3×6),因子差 3、步长 2;裂项后正项分母为 1、3,负项分母为 4、6,没有相同分母可消。即使单项裂项成立,也不能照搬首尾公式。分母出现 0 时原式本身无定义。

04

两道完整例题

例题一|先看相邻配对

计算 S = 11×2 + 12×3 + … + 16×7,其中第 k 项为 1/[k(k+1)],k 从 1 到 6。

  1. 定系数。每项两个因子差 1,所以 1/[k(k+1)] = 1/k − 1/(k+1)。
  2. 展开首尾。
    S = (1 − 12) + (12 − 13) + (13 − 14)
    + (14 − 15) + (15 − 16) + (16 − 17)
  3. 说明对应。−1/2 与下一项的+1/2 相消;同理一直到 ±1/6。只有最前的 1、最后的 −1/7 无搭档。
  4. 计算并检查。S = 1 − 1/7 = 6/7。原式为六个正数之和,结果为正,且小于 1,符合裂项后的结果。

例题二|S班结构变式:不是首尾各留一项

计算 T = 11×5 + 13×7 + 15×9 + … + 139×43。第 k 项为 1/[(2k−1)(2k+3)],k 从 1 到 20。

  1. 先定系数。(2k+3) − (2k−1) = 4,所以每项是 1/4 × [1/(2k−1) − 1/(2k+3)]。
  2. 再找跨度。第一个因子每次增加 2;要从 1 走到 5,要前进两项。因此相消跨度为 4÷2 = 2 项。
  3. 展开两端,核对搭档。
    4T = (1 − 15) + (13 − 17)
    + (15 − 19) + (17 − 111) + …
    + (135 − 139) + (137 − 141) + (139 − 143)

    正项分母为 1、3、5、…、39;负项分母为 5、7、9、…、43。共同部分 5、7、…、39 各出现一正一负,恰好相消。

  4. 保留两端。
    T = 14 × (1 + 13 − 141 − 143)
    = 14 × (43 − 841763)
    = 14 × 68005289 = 17005289

    最后一项先代 k = 20 得到 39×43,再写尾部,避免把 41 误当最后一个分母。

05

迁移练习

以下例题与练习为本页自拟教学题。先写系数、步长、跨度,再计算。

练习一|分子变了,系数怎么配?

计算 61×4 + 64×7 + 67×10 + 610×13 + 613×16。

查看完整解析

同项因子差 3,分子是 6,外部系数为 6÷3 = 2。第一个因子步长也是 3,所以向后 1 项配对。

原式 = 2[(1−14)+(14−17)+(17−110)
+(110−113)+(113−116)]
= 2(1−116) = 158

中间的 1/4、1/7、1/10、1/13 各消去一对。结果大于 1 并不矛盾:仅第一项就等于 3/2。

练习二|把跨度增加到三项

计算 11×4 + 12×5 + 13×6 + 14×7 + 15×8。

查看完整解析

因子差 3,系数为 1/3;第一个因子步长为 1,相消跨度为 3。

原式 = 13 [(1−14)+(12−15)+(13−16)
+(14−17)+(15−18)]
= 13 (1+12+13−16−17−18)
= 13 (116−73168) = 235504

只有 ±1/4、±1/5 两对相消,不能把所有中间位置都划掉。保留的是正负两列各自的边界。

边界挑战|只有一项,还能“首尾各留两项”吗?

若例题二只有 k = 1 一项,结果是什么?为什么不能直接抄两端四项?

查看边界解析

原式只有 1/(1×5) = 1/5。裂项为 1/4 × (1−1/5),没有任何两项之间的相消。这里 n = 1 小于跨度 m = 2,不能按“首尾各留两项”的不重叠边界写法套用。通用策略始终是:先写实际存在的项,再找相反数。

06

易错对照与简要回顾

每一次相消都要有理由
错误做法修正与核对
1/[a(a+4)] = 1/a − 1/(a+4)右侧通分后分子是 4,要再乘 1/4。
因子相差 4,就保留首尾各 4 项还要看步长。例题二步长 2,跨度是 2 项。
看见裂项就只留第一、最后一个数展开两列,按分母逐个配对;可能各留多个。
k 到 20,末尾就写 1/41代入原式的 2k+3,最后负项是 −1/43。
1/[k(k+1)] 与 1/[k(k+3)] 用同一首尾式二者系数、相消跨度都不同,不能只凭长相判断。
四步检查法

差是多少 → 系数补齐;步长是多少 → 找到跨度;首尾展开 → 配对消去;代入末项 → 计算并约分。

裂项的价值是制造可对应的差。真正缩短计算的是相反数相加为零,剩下什么必须由有限项的实际边界决定。

07

逐章回看

文字稿默认展开。点击章节标题,定位到视频中的对应讲解。

这道裂项题,为什么首尾各留两项?先把二十项缩成六项,观察相消的搭档。

同一项的两个因子相差四。两个倒数相减,通分后分子是四,所以外面要乘四分之一。

把正项和负项分成两行。正项分母从一开始,负项分母从五开始,每次都增加二。

负的五分之一,要到后面第二项,才找到正的五分之一。四除以二,跨度就是两项。

按相同分母对齐。五、七、九、十一,各有一个正项和一个负项,成对相加等于零。

没有搭档的,是开头的一和三分之一,以及末尾的负十三分之一、负十五分之一。

别忘了外面的四分之一。六项之和,算得一百九十五分之五十八。

回到二十项:末项两个因子是三十九和四十三。中间照样配对,首尾仍然各留两项。

边界改为一、三分之一、负四十一分之一和负四十三分之一。乘四分之一,得到五千二百八十九分之一千七百。

记住:因子差决定系数,步长决定跨度。项数少于跨度时,直接展开;不能硬套首尾口诀。

08

学习与图示说明

S班表示本项目的教学深度;A/S编排不代表佛山南海或任何机构已核实的官方分班课纲。