每日一题[354]新定义数列

若数列$\{a_n\}$满足:对任意的$n\in\mathcal{N}^*$,只有有限个正整数$m$使得$a_m<n$成立,记这样的$m$的个数为$(a_n)^*$,则得到一个新数列$\left\{(a_n)^*\right \}$.例如,若数列$\{a_n\}$是$1,2,3,\cdots,n,\cdots$,则数列的$\{(a_n)^*\}$是$0,1,2,\cdots,n-1,\cdots$.已知对任意的$n\in\mathcal{N}^*$,$a_n=n^2$,则$(a_5)^*=$_____,$\big((a_n)^*\big)^*=$_____.


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正确答案是$2$,$n^2$.

 本题的关键是理解$(a_n)^*$的含义,数列$\{(a_n)^*\}$中的第$k$项$(a_k)^*$为$\{a_n\}$中在区间$(-\infty,k)$中的项数.所以$\{(a_n)^*\}$为$$0,1,1,1,2,2,2,2,2,3,3,3,3,3,3,3,4,\cdots.$$在这个数列中,值为$k$的项共有$(k+1)^2-k^2$个.从而数列$\left\{\big((a_n)^*\big)^*\right \}$的第$n$项$\big((a_n)^*\big)^*$即数列$\{(a_n)^*\}$中小于$n$的项的项数,为$$(1^2-0^2)+(2^2-1^2)+\cdots+\left[n^2-(n-1)^2\right]=n^2.$$本题的难点在于定义的抽象,把数列多写几项,将抽象的定义用具体的数值来感受,会有助于我们对抽象问题的理解,从而有助于问题的解决.

 本题为2010年高考数学湖南卷的第15题(填空压轴题).


下面给出一道练习.

若数列$\{b_n\}$的通项公式为$b_n=2n$,则$(b_5)^*=$_____,$\big((b_n)^*\big)^*=$_____.

答案 $2$,$2n$.

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