数学小白必看!用“多米诺骨牌”法秒杀分数求和:裂项相消完全指南:典型例题精讲
适用年级
五年级
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⭐⭐⭐
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最近更新
2025-12-20
一招解决分数求和烦恼:像玩多米诺骨牌一样“拆”与“消”
💡 阿星起步:裂项相消 的底层逻辑
想象一下,你面前有一长串直立的多米诺骨牌,从第一块到最后一块。你的任务不是推倒它们,而是巧妙地让中间的牌全部“隐身消失”,最后只看到第一块和最后一块。这就是裂项相消要干的活儿!
我们经常遇到一堆分数相加,比如 \( \frac{1}{1\times2} + \frac{1}{2\times3} + \frac{1}{3\times4} + \cdots \),直接算会累死人。它的本质是:把一个“分数积”拆成两个“分数差”。为什么?因为“差”可以创造神奇的抵消效果。
看这个魔法:
\( \frac{1}{1\times2} \) 可以拆成 \( 1 - \frac{1}{2} \);
\( \frac{1}{2\times3} \) 可以拆成 \( \frac{1}{2} - \frac{1}{3} \);
把它们加起来:\( (1 - \frac{1}{2}) + (\frac{1}{2} - \frac{1}{3}) = 1 - \frac{1}{3} \)。
看!中间的 \( +\frac{1}{2} \) 和 \( -\frac{1}{2} \) 就像相邻的两块多米诺骨牌,一正一负,互相抵消,瞬间“消失”了。最后只剩开头的 \( 1 \) 和结尾的 \( -\frac{1}{3} \)。所以,学它就是为了把“漫长繁琐的加法”变成“瞬间干净的减法”,这是数学里化繁为简的智慧。
🔥 三级跳挑战:从入门到大神
【入门例题】计算:\( \frac{1}{1\times2} + \frac{1}{2\times3} + \frac{1}{3\times4} + \cdots + \frac{1}{9\times10} \)。
阿星拆解:我们一步步来,就像搭多米诺骨牌。
第1步:拆项(找到每张牌的“分身”)
记住公式:\( \frac{1}{n\times(n+1)} = \frac{1}{n} - \frac{1}{n+1} \)。这里 \( n \) 从1到9。
所以:
\( \frac{1}{1\times2} = \frac{1}{1} - \frac{1}{2} \);
\( \frac{1}{2\times3} = \frac{1}{2} - \frac{1}{3} \);
\( \frac{1}{3\times4} = \frac{1}{3} - \frac{1}{4} \);
… …
\( \frac{1}{9\times10} = \frac{1}{9} - \frac{1}{10} \)。
第2步:相加(把所有的“分身”排成一排)
原式 = \( (\frac{1}{1} - \frac{1}{2}) + (\frac{1}{2} - \frac{1}{3}) + (\frac{1}{3} - \frac{1}{4}) + \cdots + (\frac{1}{9} - \frac{1}{10}) \)。
第3步:相消(推倒第一张牌,看中间牌消失)
把括号全部去掉(因为都是加法,括号可以直接去掉):
\( \frac{1}{1} - \frac{1}{2} + \frac{1}{2} - \frac{1}{3} + \frac{1}{3} - \frac{1}{4} + \cdots + \frac{1}{9} - \frac{1}{10} \)。
看!\( -\frac{1}{2} \) 和 \( +\frac{1}{2} \) 抵消,\( -\frac{1}{3} \) 和 \( +\frac{1}{3} \) 抵消……一直到 \( -\frac{1}{9} \) 和 \( +\frac{1}{9} \) 抵消。
所有中间项,像多米诺骨牌一样,一个接一个地倒下了(消失了)!
第4步:得结果(只剩首尾)
最后只剩下第一项 \( \frac{1}{1} \) 和最后一项 \( -\frac{1}{10} \)。
所以,结果 = \( 1 - \frac{1}{10} = \frac{9}{10} \)。
【进阶例题】计算:\( \frac{1}{2\times4} + \frac{1}{4\times6} + \frac{1}{6\times8} + \cdots + \frac{1}{18\times20} \)。
(陷阱提示:分母不是连续的自然数相乘了!)
阿星敲黑板:陷阱来了!公式 \( \frac{1}{n\times(n+1)} \) 要求两个数相差1。但这题里,2和4差2,4和6差2……直接套公式会翻车!
破解方法:把“差距”统一提取出来,变回我们熟悉的样子。
第1步:观察与变形
每一项都是 \( \frac{1}{[2\times k] \times [2\times (k+1)]} \),其中 \( k \) 从1到9。
更直观地说:每一项是 \( \frac{1}{2n \times 2(n+1)} \),这里 \( n \) 从1到9。
关键操作:把分母里的公因数2提出来!
\( \frac{1}{2n \times 2(n+1)} = \frac{1}{4 \times n(n+1)} = \frac{1}{4} \times \frac{1}{n(n+1)} \)。
看,我们成功地把问题变回了 入门例题 的类型,只是前面多了一个 \( \frac{1}{4} \)。
第2步:拆项与计算
原式 = \( \frac{1}{4} \times \left[ \frac{1}{1\times2} + \frac{1}{2\times3} + \cdots + \frac{1}{9\times10} \right] \)。
括号里的和,我们刚才在入门题里已经算过了,是 \( \frac{9}{10} \)。
所以,原式 = \( \frac{1}{4} \times \frac{9}{10} = \frac{9}{40} \)。
记住这个教训:遇到分母数字间隔相等(比如都差2、差3),先提公因数,把它变成标准型!
【拔高例题】计算:\( \frac{2}{1\times3} + \frac{2}{3\times5} + \frac{2}{5\times7} + \cdots + \frac{2}{19\times21} \)。
(分子不是1了!还能用多米诺骨牌吗?)
思维迁移:虽然分子变成了2,分母也差2,但“多米诺骨牌”的本质没变!我们依然可以把它“拆”成两个分数的差,只是拆法需要一点小调整。
第1步:寻找拆项公式
我们需要把 \( \frac{2}{n(n+2)} \) 拆成 \( \frac{A}{n} - \frac{B}{n+2} \)。
通分计算:\( \frac{A}{n} - \frac{B}{n+2} = \frac{A(n+2) - Bn}{n(n+2)} = \frac{(A-B)n + 2A}{n(n+2)} \)。
我们希望它等于 \( \frac{2}{n(n+2)} \),所以必须让:
① \( A - B = 0 \) (这样分子才没有含 \( n \) 的项)
② \( 2A = 2 \)
解这个方程组,得到 \( A = 1, B = 1 \)。
所以,通用公式诞生了:\( \frac{2}{n(n+2)} = \frac{1}{n} - \frac{1}{n+2} \)。
第2步:应用公式,开始“拆牌”
这里 \( n \) 依次是 1, 3, 5, ..., 19(都是奇数)。
原式 = \( (\frac{1}{1} - \frac{1}{3}) + (\frac{1}{3} - \frac{1}{5}) + (\frac{1}{5} - \frac{1}{7}) + \cdots + (\frac{1}{19} - \frac{1}{21}) \)。
第3步:观察“骨牌”如何倒下
去掉括号:\( \frac{1}{1} - \frac{1}{3} + \frac{1}{3} - \frac{1}{5} + \frac{1}{5} - \frac{1}{7} + \cdots + \frac{1}{19} - \frac{1}{21} \)。
你发现了什么?\( -\frac{1}{3} \) 和 \( +\frac{1}{3} \) 抵消,\( -\frac{1}{5} \) 和 \( +\frac{1}{5} \) 抵消……但是,这次的骨牌是隔一个倒一个!因为每一项的“尾巴” \( -\frac{1}{n+2} \) 要和隔一项的“头” \( +\frac{1}{n+2} \) 才能相遇抵消。不过规律是一样的:所有中间项(从 \( \frac{1}{3} \) 到 \( \frac{1}{19} \) )都抵消了!
第4步:得到结果
最后剩下第一张牌的头 \( \frac{1}{1} \),和最后一张牌的尾 \( -\frac{1}{21} \)。
结果 = \( 1 - \frac{1}{21} = \frac{20}{21} \)。
看,即使分子变了,分母差变了,“拆项-相消”这个核心玩法丝毫没变!
📝 阿星必背口诀:
裂项相消像骨牌,一拆两半是关键。
首尾中间全抵消,结果立马眼前现。
遇到分子不是一,公式通分求仔细。
分母间隔若相等,先提公因再游戏!
🚀 举一反三:变式挑战
计算:\( \frac{1}{1\times3} + \frac{1}{3\times5} + \frac{1}{5\times7} + \cdots + \frac{1}{99\times101} \)。
(提示:先自己推导一下 \( \frac{1}{n(n+2)} \) 的拆项公式哦)
已知 \( \frac{1}{1\times3} + \frac{1}{3\times5} + \cdots + \frac{1}{(2n-1)\times(2n+1)} = \frac{20}{41} \),求 \( n \) 的值。
(提示:先用裂项法求出左边关于 \( n \) 的表达式)
计算:\( 1 + \frac{1}{1+2} + \frac{1}{1+2+3} + \frac{1}{1+2+3+4} + \cdots + \frac{1}{1+2+\cdots+100} \)。
(超级提示:先回忆一下 \( 1+2+\cdots+n = \frac{n(n+1)}{2} \),然后看看这个分数是什么)
解析与答案
【详尽解析】
入门 & 进阶例题答案:已在文中完整给出,分别为 \( \frac{9}{10} \) 和 \( \frac{9}{40} \)。
拔高例题答案:\( \frac{20}{21} \)。
变式挑战解析:
- 变式一:推导得 \( \frac{1}{n(n+2)} = \frac{1}{2}(\frac{1}{n} - \frac{1}{n+2}) \)。原式 = \( \frac{1}{2}(1 - \frac{1}{101}) = \frac{50}{101} \)。
- 变式二:利用变式一的公式,和为 \( \frac{1}{2}(1 - \frac{1}{2n+1}) = \frac{n}{2n+1} \)。令其等于 \( \frac{20}{41} \),解得 \( n=20 \)。
- 变式三:因为 \( 1+2+\cdots+n=\frac{n(n+1)}{2} \),所以 \( \frac{1}{1+2+\cdots+n} = \frac{2}{n(n+1)} = 2(\frac{1}{n} - \frac{1}{n+1}) \)。原式第一项1可看作 \( \frac{2}{1\times2} \),所以从n=1到100求和为 \( 2(1 - \frac{1}{101}) = \frac{200}{101} \)。
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